北京交通大学自动控制理论课程

 

 

 

 

教学大纲


 

 

 

《自动控制理论》课程教学大纲

古典控制部分

 Automatic Control Theory

课程编号:2000081   

适用专业:电气工程与自动化

学 时 数:40                       学分 数:2.5

执 笔 者: 王艳邱瑞昌              编写日期:2002。5

一、课程的性质与目的

   要:随着生产和科学技术的发展,自动控制技术在国民经济和国防建设中所起的作用越来越大。自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化,极大的提高了劳动生产率和产品质量,改善了劳动条件,并且在人类探索新能源,发展空间技术和改善人民物质生活都起着极为重要的作用

课程性质:自动控制原理是电气工程与自动化专业的技术基础课(专业基础平台课),是必修课,是以原理为主的理论性课程;主要讲述自动控制原理与控制系统设计、实验等内容。

根据自动控制技术发展的不同阶段,自动控制原来可分为古典控制理论和现代控制理论两大部分。

古典控制理论的主要内容是以传递函数为基础,研究单输入单输出一类自动控制系统的分析和设计问题。这些理论研究较早,现在已经比较成熟。并且在工程实践中得到了广泛的应用。

现代控制论是60年代在古典控制论的基础上,随着科学技术的发展和工程实践的需要而迅速发展起来的。其内容主要以状态空间法为基础,研究多输入多输出、变参数、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计问题。最优控制、最佳滤波、系统辩识、自适应控制等理论都是这一领域研究的主要课题。特别是近年来由于电子计算机技术和现代应用数学研究的迅速发展,使现代控制理论又在研究庞大的系统工程的大系统理论和模仿人类智能活动的智能控制、生物控制、模糊控制等方面有了重大进展。

主要目的:培养学生

1.掌握经典控制论中,线性定常连续、单输入单输出闭环控制系统的工作原理、分析和综合,掌握反馈控制原理的应用以及分析和设计的一般规律,使其具有分析和设计自动控制系统的初步能力,使学生对系统的认识上升到更高的层次。

2.了解控制系统中常用的检测装置,常用执行机构的工作原理,数学模型的建立过程,以及自控原理、经典控制论在当今的发展状况。

3.了解并掌握对系统的仿真,其中包括模拟仿真和数字仿真,使学生建立起仿真的概念,并灵活应用于解决实际问题,掌握用模拟和数字仿真方法来进行原理实验,获得仿真实验技能的基本训练。

二、课程教学内容

第一章  自动控制概论(讲课2学时)

了解本课程的内容、性质和任务,掌握控制的基本方式

重点:弄清楚对于自动控制系统的基本要求和系统的组成。

课上至少举两个例子来说明自动控制系统的组成,以及系统动态调节的过程,至少布置两道作业题,帮助学生熟悉系统的组成和对控制系统的基本要求。       

第二章  控制系统的数学模型(讲课6学时)

对系统的讨论从定性到定量,建立起系统中各组成部分的数学模型:传递函数,并掌握自控原理中定量数学模型的表示法以及求一个自控系统的传递函数,并对非本质非线性的系统怎样进行线性化有一定的了解。

重点:准确掌握传递函数的概念,以及系统中开环传函和闭环传函的概念;怎样由一个系统的方框图求系统的闭环传递函数。

典型环节的传递函数实验帮助学生对系统中经常遇见的环节的传递函数以及在典型信号输入下环节的输出,以及这些环节在系统中的主要作用有一个清楚得了解。

学习要求:要求灵活掌握传函的本质,对于线性定常连续系统,怎样求一个系统的传函。

第三章  控制系统的时域分析(讲课8学时)

了解对于线性定常连续系统的在时域上的分析的一般过程,典型输入信号的拉氏变换。一阶系统的过渡过程,掌握二阶系统的过渡过程和高阶系统的过渡过程,控制系统的稳定性分析,以及控制系统稳态误差的计算方法。了解无差度的概念。掌握消除和减少稳态误差的办法以及了解用复合控制怎样可以减少系统的稳态误差,提高系统的无差度的原理。

重点:结合第一章提出的对控制系统的基本要求,第三章中重点掌握①时域上描述系统动态性能的特性指标δ%ts。②斯判据判断系统的稳定性。③稳定误差计算以及减少标志误差,提高控制精度的办法。

实验有典型系统得瞬态响应和系统稳定性的劳斯判据分析。

学习要求:通过第三章的学习,结合对控制系统的基本要求,使学生清楚的掌握对于自动控制系统的分析应从三个方面着手。并掌握时域上对系统分析的方法及思路,加强对系统要求的理解,进一步深化时域上对系统分析方法,思路以及分析的目的和意义,并清楚一个性能好的控制系统的特性指标和系统的开环结构中哪些特性参数有关。应用Matlab软件对系统进行时域分析。

第四章   根轨迹法     (讲课6学时)

了解控制系统根轨迹的概念,一般解析画法过程。用根轨迹法分析控制系统的思路。

掌握绘制根轨迹的基本规则,并利用基本规则概要画出给定系统的根轨迹。并在此基础上用根轨迹法来分析系统的稳定性,动态性能的好坏和闭环主导极点在    S平面上分布的关系。并掌握最小相位系统的参数根轨迹的画法。最后给出闭环极点,零点分布和控制系统性能指标之间的关系。应用Matlab中根轨迹工具箱对系统进行性能分析。

重点:根轨迹的画法,参数根轨迹的画法,并学会用根轨迹的方法来分析控制系统,附加开环零极点对系统根轨迹的改造和对系统性能的影响。

难点:用根轨迹的方法来分析控制系统 。

第五章  频率特性法     (讲课8学时)

了解一个系统和一个环节的频率特性并得出系统的正弦传递函数。了解频率特性的表示方法幅相曲线和波特图,并学会画一个典型环节的频率特性(幅相曲线和波特图)。了解闭环频率特性图的画法。

掌握系统开环传递函数的幅相曲线和波特图,并在此基础上利用系统的幅相曲线波特图来分析系统的稳定性──奈氏判据用幅数曲线和波特图来分析系统的动态性能──控制系统的相对稳定性。掌握开环频率特性与控制系统性能的关系。

重点:用频率特性的方法来分析系统的稳定性,以及相对稳定性以及开环频率特性与控制系统性能指标间的关系。

难点:用奈氏判据判断系统的稳定性中幅相曲线包围(-1J0)点圈数情况,以及负数轴上(-1J0)点以左正、负穿越的定义。控制系统的相对稳定性的含意。幅数曲线变化情况和开环结构参数关系。应用Matlab对系统进行频域分析。

第六章   控制系统的综合与校正(讲课6学时)(习题课2学时)

了解系统为什么需要校正,采用校正方式和方法的分类。并结合前面第三章、四章、五章对系统的分析的情况来分析控制系统的基本控制规律。

掌握串联校正中的超前校正的综合过程,滞后校正的综合过程以及滞后──超前校正的综合过程,以及按系统的期望频率特性进行校正的综合过程,采用反馈校正参数的确定。Simulink在控制系统综合与校正的应用。

重点:超前校正,滞后校正,滞后──超前校正的校正网络传递函数中零极点在S平面上分布情况以及参数结构是怎样对校正起作用的,串联校正和并联校正间的关系。

难点:采用超前、滞后、滞后──超前校正对系统校正的方法和流程。

三、课程教学的基本要求

本课课程的教学环节包括:课堂讲授、习题课、课外作业、实验。通过本课程各个教学环节的学习,重点培养学生对经典控制论,自动控制理论系统的掌握。学生的自学能力、动手能力、分析问题、解决问题的能力,培养学习设计计算以及利用已掌握的知识分析问题的能力。

(一)课堂讲授

1.教学方法

采用启发式教学,培养学生的自学能力,自动控制原理内容较多且繁,教学中力求把每章节的内容在结构上联系起来,系统起来。课堂上增加讨论,调动学生的学习兴趣,以及学习的主观能动性。

2.教学手段

采用课堂讲授和发挥多媒体教学的直观性,并开展电子教案,CAI课件的研制,引进和应用,并研制多媒体教学系统。

3.计算机的应用

计算机知识和应用是培养学生能力的重要方面,本课程要适当安排学生采用计算机仿真(数字仿真)来模拟各种类型系统的工作,用MATLAB语言对系统进行计算,以及不同参数上的PID调节和对系统动态特性,静态特性的影响。

4.外语要求

给出各章节主要专业名词的英语单词以方便学生阅读英文同等程度的参考资料。

Linear Control System(线性系统), Single Input Single Output(单输入单输出), Laplace Transform(拉普拉斯变换), Differential Equations(微分方程), Transfer Functions(传递函数), Models of System(系统模型), Block Diagrams(方框图), Masons Gain Formula(梅森公式), First-order System(一阶系统), Second-order System(二阶系统), Higher-order System(高阶系统), Close-loop Control System(闭环控制系统), Stability(稳定性), Transient Response(瞬态响应), Routh-Hurwitz Stability Criterion(劳斯判据), Steady-state Accuracy(稳态精度), Root-locus(根轨迹), Root-locus Principles(根轨迹基本规则), Frequency Responses(频率响应), Bode Diagrams(波特图), Nyquist Criterion(奈氏判据), Relative Stability(相对稳定性).

(二)教学辅助资料

自动控制原理习题集,引导学生复习和自学,实验指导书,以及MATLAB仿真软件。自动控制原理试题库。

(三)实验环节

四个实验项目,由于硬件和软件设备的限制,先后拟增设至少两个模拟仿真实验项目,和同量的仿真软件,并着手准备本课程的综合性实验。

(四)作业方面

1)目的:

①巩固讲授过的基本理论知识;②培养解题能力和技巧;③学会对系统的分析;明了结构参数和系统的稳定性,动、静态性能之间的关系;④培养学生的创新思维能力。

2)课外习题内容:

第一章 在叙述系统的工作原理和系统的组成方面布置两道作业题。

第二章 在怎样求系统的传递函数方面,系统方框图划简,梅森公式的应用方面布置五道作业题。

第三章 熟悉一阶、二阶典型系统的开环、闭环传递函数的结构参数和系统的动态性能之间的联系,闭环主导极点的概念,劳斯判据的应用,熟悉典型系统在典型信号输入下的误差计算以及减小稳态误差的措施和办法。使学生建立对控制系统在时域上分析的比较完整的概念。应布置十五道作业题左右。  

第四章 根据绘制根轨迹基本规则会绘制系统的根轨迹,并确定系统的闭环极点和零点并分析系统的闭环主导极点。会画参量根轨迹,弄清楚闭环零极点分布和系统的性能指标之间的关系。布置六道作业题左右。

第五章  频率特性的基本概念、典型环节的波特图、奈奎斯特图,乃斯特稳定判据,控制系统的相对稳定性,以及开环频率特性和系统的性能指标之间的关系。共应布置十道作业题左右。

第六章 熟悉基本控制规律,超前、滞后,超前-滞后校正参数的确定, 按系统的期望频率特性确定系统的校正参数,共应布置八道作业题左右。         

   (五)考试环节

考试形式采用笔试,题型有:填空、选择题、问答题、计算题

四、本课程与其它课程的联系与分工

先修课程:高等数学、电子电路、电路原理、信号与系统等。在这些课程中应该注意讲授;电路的分析与计算:零输入和零状态响应的求法;四端网络列写电压方程时的前提条件等。信号与系统注意讲授信号的拉氏变换、付氏变换、Z互变换等。

后续课程:自动控制系统、变频调速系统及应用,计算机控制系统等。

五、建议教材及教学参考书

1.吴麒主编《自动控制原理》              清华大学出版社  

2.李友善主编, 《自动控制原理》             国防工业出版社

2戴忠达主编, 《自动控制理论基础 》         清华大学出版社

3胡寿松主编, 《自动控制原理习题集》        国防工业出版社

4.自编教材,  《自动控制原理实验指导书》

六、对教师的基本要求

     1、熟练掌握线性时不变系统的分析方法,了解古典控制论的发展方向。讲课过程中,选择一些典型的控制系统实例加以讲解。

     2、能够改革线性时不变系统的仿真方法,使学生最终能够达到设计系统的目的。

 

 

 



 

 

 
 

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