自动控制原理教学大纲

关键词:自动控制原理 教学大纲
自动控制原理是自动化、电气工程及其自动化专业的主干课程和专业基础课,它同时也作为现代控制理论、过程控制系统、计算机控制系统等课程的基础,其任务是为专业基础及专业课的学习打好理论基础,也为今后从事实际工作和科研奠定理论基础
内容:

  一、课程目标
  自动控制原理是自动化、电气工程及其自动化专业的主干课程和专业基础课,它同时也作为现代控制理论、过程控制系统、计算机控制系统等课程的基础,其任务是为专业基础及专业课的学习打好理论基础,也为今后从事实际工作和科研奠定理论基础。
二、课程学习要求
  要求学生预修高等数学、复变函数、积分变换等课程,掌握线性定常微分方程得求解、复变函数的幅值和相角的计算、拉普拉斯变换及其逆变换等内容。通过本课程的学习,应使学生达到如下的基本要求:
  1.反馈控制系统及模型
  理解自动控制、反馈、传递函数及方块图等概念,熟练掌握控制系统方框图的变换与简化、传递函数的求取、简单过程对象机理模型的建立、典型环节及其特性、掌握梅逊增益公式的应用。
  2.控制系统分析
  理解瞬态特性、稳定性、稳态误差、根轨迹、频率特性等概念,熟练掌握典型二阶系统的求解和特性分析、稳定性分析、稳态误差分析。熟练掌握根轨迹分析法、频率特性分析法。

三、教学内容与学时分配建议
  第一章 自动控制系统的一般概念(4学时)
    本章重点介绍控制系统的组成、负反馈原理和控制系统的分类等。
    1.自动控制技术的发展概况
    2.自动控制系统自动控制系统的组成;自动控制实例;系统的基本组成;原理方框图。
    3.自动控制系统的分类开环与闭环系统;反馈控制原理;其他分类方法。
    4.自动控制系统的基本性能要求。   

  第二章 控制系统的数学模型 (12学时)
    重点介绍建立机理模型的思路和方法,传递函数的概念,典型环节的特性等。
    1.引言:数学模型与系统分析和系统设计的关系,静态模型,动态模型,各种建模方法。
    2.物理装置的数学模型:机理模型(力学定律、电学定律、热力学定律、化学反应定律等机理;物料平衡,能量平衡等方法),非线性环节的线性化,无量纲增量的微分方程。
    3.控制系统的数学模型:建模举例,负载效应与信号的单向性,拉普拉斯变换及其应用。
    4.传递函数与动态结构图:传递函数与动态结构图的概念;典型环节的传递函数,动态结构图的变换与简化。
    5.信号流图:概念,梅逊增益公式及其应用。
    6.脉冲响应。

  第三章 控制系统的时域分析法 (14学时)
    重点介绍稳定性、稳态误差和瞬态性能的概念。二阶系统阶跃响应的性能指标与特征参数之间的关系。调节规律及参数对系统性能的影响等。
    1.引言:时域分析法的特点,典型输入信号和时域性能指标。
    2.一阶系统的瞬态响应:阶跃响应分析,系统参数与瞬态性能的关系,其他典型输入信号响应,线性系统的特性(叠加原理、积分性质、微分性质)。
    3.二阶系统的瞬态响应:典型二阶系统的阶跃响应,特征根与特征参数的关系。动态性能指标的计算,环外零极点的影响,二阶系统瞬态性能的改善。
    4.高阶系统的瞬态响应:三阶系统的阶跃响应,高阶系统的阶跃响应分析(各种响应分量与特征根分布的关系),主导极点的概念。
    5.稳定性分析:稳定性定义,稳定的充分必要条件,劳斯稳定判据及其应用,相对稳定性的概念。
 6.稳态误差分析:稳态误差概念,开环系统的型别(按1/s因子个数判断),误差系数计算(Kp,Kv,Ka),扰动作用下的稳态误差,PID参数对系统性能的影响。

  第四章 根轨迹分析法(8学时)
    重点介绍负反馈控制系统根轨迹的绘制方法,闭环极点与瞬态响应的关系,PID参数对系统性能的影响等。
    1.引言:时域分析法的历史缺点,根轨迹法的特点。
    2.根轨迹方程 根轨迹方程,幅值条件和相角条件。
    3.根轨迹绘制 根轨迹的绘制法则与举例,参量根轨迹的绘制。
    4.根轨迹分析:闭环系统特征根与瞬态性能的关系,根轨迹上的主导极点确定,开环零极点对系统性能的影响,PID参数(Kp,Ti,Td)的参量根轨迹及其对系统性能的影响。

  第五章 频率特性分析法 (12学时)
    重点介绍频率特性的概念,典型环节的频率特性,Nyquist稳定判据,开环频域指标(ωc,γ)与闭环频域指标(Mp,ωb),典型二阶系统的频域分析。
    1.频率特性的概念 频率特性的定义,频率特性与传递函数的关系。
    2.频率特性的几种曲线表示法
    3.典型环节的频率特性
    4.Nyquist稳定判据:幅角映射定理,由开环Nyquist曲线、Bode曲线、Nichols曲线判断闭环稳定性。
    5.最小相位系统与稳定裕度的概念:由开环Bode曲线确定最小相位系统的开环传递函数,开环频率特性与闭环频率特性之间的关系。
    6.系统性能分析:由开环频率特性确定误差系数(Kp,Kv,Ka),频率特性指标(放大系数、稳定裕度、穿越频率、谐振峰值、谐振频率、频带宽度等),典型一阶系统、二阶系统的频率特性与时域性能指标的关系。

  第六章 离散时间控制系统分析 (10学时)
    重点介绍离散系统的数学模型和性能指标分析。
    1.离散时间采样信号和采样定理
    2.Z变换及性质、反Z变换
    3.差分方程求解
    4.脉冲传递函数
    5.离散时间控制系统的稳定性、稳态误差和瞬态性能分析

四、教材及参考书:
   1.《自动控制原理》,高国燊,华南理工大学出版社,2001,国家统编;
   2.《自动控制原理》,吴麒,清华大学出版社,1992,国家统编;
   3.《自动控制原理》,胡寿松,国防工业出版社,2001,国家统编。