《自动控制原理》理论教学大纲

适用专业：工业自动化、电气技术、电子
理论课时： 68 学时

一、课程的性质、目的与任务
本课程是高职高专电类专业（如自动化、电气、电子、计算机等专业）的专业基础课。随着科学技术的不断发展各行各业对自动化程度的要求也越来越高，这就要求从事工业自动化等专业的工程技术人员要有扎实的专业技术基础，以适应技术发展的需要。而《自动控制原理》是在学生掌握了必要的基础课程之后，向学习专业课阶段过渡的首要环节，是专业课程学习的重要特征，起到了承前启后的重要作用。
通过本课程的学习，要求学生掌握自动控制的基本原理和概念，并具备对自动控制系统进行分析、计算、实验的初步能力，从理论上为后续专业课程的学习创造必要的条件，为学生将来从事工业自动化专业的工程技术工作和科研工作打下坚实的基础。

二、学习本课程必备的理论基础及后续课程
1 、高等数学和工程数学是本课程的重要基础，学生在学习本课程前，应具备微分方程、差分方程、复变函数、积分变换、矩阵等有关数学知识。
2 、电路与磁路、电子技术基础两门课程，是本课程的先修课程。
3 、学生在学习本课程前，还需要有一定的电机、自动控制元件和机械力学方面的知识。
4 、本课程的后续课程为：自动控制系统、计算机控制系统、以提供所应用的分析、设计的基本方法，有关离散系统的理论在计算机控制系统课程中介绍。

三、课程内容和学时分配
第一章 Matlab 语言简介 学时数： 4
Matlab 语言简介； Matlab 的基本语句结构；矩阵的基本运算； Matlab 的控制语句； Matlab 的编程基础与技巧； Matlab 的绘图功能；系统框图输入与仿真工具 SIMULINK ； SIMULINK 使用的高级技术。
本章重点： Matlab 的控制语句； Matlab 的绘图功能；

第二章 自动控制的基本概念 学时数 : 2
自动控制的基本原理；自动控制系统的基本类型；自动控制系统的研究方法；自动控制系统的性能指标和对系统的基本要求。：
本章重点：自动控制系统的组成及工作原理；自动控制系统中的有关概念名词及术语。

第三章 自动控制系统的数学模型 学时数： 6 （含习题课 2 学时）
控制系统微分方程的建立；非线性元件微分方程的线性化；传递函数；动态结构图及其等效变换；信号流图及 Mason 增益公式；脉冲响应函数。
本章重点：数学模型的概念及其重要性；系统数学模型的建立方法；传递函数、动态结构图及其等效变换；同一系统数学模型的多样性及相互变换。难点：控制系统微分方程的建立；结构图等效变换及 Mason 增益公式的正确运用。

第四章 线性系统的时域分析法 学时数 8 （含习题课 2 学时）
典型输入作用和时域性能指标，一阶系统的瞬态响应；二阶系统的瞬态响应；高阶系统的闭环主导极点及其分析方法；稳定性的概念及代数判据；稳态误差、稳态偏差的概念及其分析，稳态误差（或稳态偏差）随时间的变化规律。
本章重点：二阶系统的阶跃响应及性能指标与参数的关系，高阶系统闭环主导极点的概念及其分析方法， Louth 判据的应用，稳态误差及稳态偏差的计算。难点：稳定性的概念； Louth 判据的正确使用；稳态误差、稳态偏差及稳态误差（或稳态偏差）随时间的变化规律等概念的正确理解。

第五章 线性系统的根轨迹法 学时数 8 （含习题课 2 学时）
根轨迹的基本概念；根轨迹的基本方程；绘制根轨迹的基本法则；参量根轨迹的绘制；单回路、多回路系统根轨迹的绘制；非最小相位系统根轨迹的绘制；用根轨迹法分析系统。
本章重点：最小相位系统以根轨迹增益 Kg 为变量的根轨迹的绘制法则和方法；根据根轨迹分析系统性能。难点：正确运用绘制根轨迹的基本法则根据开环传函绘制闭环系统的根轨迹；由根轨迹及开环传函确定系统闭环零、极点的分布，并据此分析系统性能。

第六章 线性系统的频率法分析 学时数 14 （含习题课 2 学时 ) ）
频率特性的基本概念；频率特性与瞬态响应的关系；典型环节的平路频率特性；系统开环频率特性的绘制；奈奎斯特稳定判据；稳定裕度；闭环频率特性的绘制；闭环系统性能的频率特性分析法。
本章重点：频率特性的基本概念，稳态频率响应与暂态时域响应的关系；系统开环频率特性的绘制（ Bode 图和奈氏图）；最小相位环节（或系统）频率特性的特点；奈奎斯特稳定判据及其应用；稳定余度的概念及其计算。难点：稳态频率响应与暂态时域响应的关系；频率特性包含的物理意义；奈奎斯特稳定判据正确理解及其正确运用应用。

第七章 线性系统的校正方法与PID控制 学时数： 10 （含习题课 2 学时）
系统校正概述；常用校正装置的特性；用根轨迹法对系统进行串联校正；用频率法对系统进行串联校正；用频率法对系统进行并联校正；用期望模型法对系统进行串联校正。
本章重点：常见校正装置的传递函数和频率特性；用频率法、期望模型法对系统进行校正，校正装置参数的求法。难点：各种串联校正方式（滞后校正，超前校正，滞后 — 超前校正）对系统性能的影响，校正方式的选择；校正装置参数的确定。

第八章 非线性系统的分析 学时数： 6
描述函数的概念，用描述函数法分析非线性系统的前提，非线性系统动态过程的特点，典型非线性系统的描述函数及用描述函数法的基本假设，用描述函数法计算系统自振参数及判别系统稳定性的方法。
第九章 采样系统的分析 学时数： 10 （含习题课 2 学时）
线性离散系统概述；采样过程和采样定理；用 Z 变换法求解差分方程；脉冲传递函数；离散系统的稳定性分析；离散系统的稳态误差分析；离散系统的动态性能分析；线性离散系统的校正。
本章重点：采样 — 数字控制系统的特点；正确理解采样定理和采样保持器的作用；系统脉冲传递函数的求法；用 Z 反变换法求采样系统的时域响应；采样系统的性能分析。难点：采样系统方框图变换；脉冲传递函数的求法；采样系统的校正。难点：采样系统方框图变换；脉冲传递函数的求法；

四、教材与参考文献目录
教材：
《自动控制原理》，陆锦军主编，上海交通大学出版社出版
参考文献：
《自动控制原理》，李友善主编，朱克定主审，国防科技大学出版社出版
《自动控制原理》，孙虎章主编，中央广播电视大学出版社出版
《自动控制原理》，胡寿松主编，国防工业出版社出版（第四版）
《自动控制原理》，周其节主编，华南理工大学出版社出版

五、对课程考核的要求
考核分为二部分：一是平时作业和课堂测验，占总成绩的 20% ；二是该课程的期末考试，占总成绩的 60% ，实验占总成绩的20%。
期末考试试题按 6 ： 3 ： 1 的比例选取与编制， 60 分基本题，以考核基本概念为主，可以填空、简答与计算题的形式出题。 30 分中等难度考题，以考核重点内容为主，形式主要为分析与计算题。 10 分为提高题，以考核基本内容中具有较大难度和方法较为灵活的试题为主，能综合应用所学的知识，形式为分析计算题。

六、对学生自学和习题的要求
课内外学时比例：一般要求为 1 ： 1.5 ，要学习达到高标准要求，应满足 1 ： 2 的学时比。
习题总量：教材中 70% 的习题作为作业题，另外还要酌情补充，其中基本要求题、中等难度题和提高题的比例约为 5 ： 4 ： 1 。
《 自动控制原理 》实验大纲

实验学时： 24 学时
先修课程： 高等数学、工程数学、电路与磁路、电子技术基础电路理论，电子
适用专业： 自动化、电气、电子、计算机等专业

一．实验教学目标与基本要求

自动控制原理实验是自动控制原理课程重要的实践教学环节。 自动化实验室共有 16 套实验设备，每次实验可以容纳一个学生班级， 2 人一组（条件允许的话，最好是 1 人一组）。 实验的目的不仅仅是验证理论知识，更重要的是通过实验加强学生的实验手段与实践技能，掌握常用电工仪器仪表的使用方法，培养学生分析问题、解决问题、应用知识的能力和创新精神。充分放手让学生自行设计、自主实验，真正培养学生的实践动手能力，全面提高学生的综合素质。
1．动手能力的培养
通过实验，使学生对实验所用仪器、设备单元的用途和使用方法有足够的了解和掌握，并且要求学生做到：能够独立分析和排除实验用仪器、设备单元的常见故障；能够利用现有实验装置和仪器、仪表正确获取、处理实验数据。

2．组织实验能力的培养
要求学生按照实验项目的原则要求和指标要求，自行拟定实验提纲，自行设计组织实验，自行设计实验方案，自行设计实验表格，自行决定需要测取的实验数据，自行决定实验小组人数，自行安排实验进程。最终上交完整合格的实验报告。

3．分析问题和解决问题能力的培养
实验中只向学生提供必要且完整的实验装置说明，提出实验目的、实验要求，以及欲达到的实验指标。要求学生能够正确运用学过的理论知识，通过实验掌握系统的调试方法，提高工程设计能力。

4. 思维能力和创新能力的培养
通过启发、组织学生设计创新性实验，活跃学生的学术思想，使其对所学内容提出一些新的见解，进而 提高学生的创新能力。

5．综合素质的培养
通过对实验准备、实验过程组织以及实验报告整理书写（实验报告中含实验数据分析等内容）等项要求的不断调整，全面提高学生的综合素质，为进一步接触实践，走向社会打下坚实的基础。
二、实验项目及教学安排

三、实验成绩考核办法

实验成绩按下面 6 条进行考核评定。
（ 1 ）做好实验内容的预习，写出预习报告；
（ 2 ）了解实验设备的正确使用方法；
（ 3 ）按实验要求正确连接电路和仪器；
（ 4 ）认真记录实验数据并按电路原理分析实验结果；
（ 5 ）实验数据正确，原理及误差分析准确；
（ 6 ）实验过程中，具有严谨的学习态度，认真、踏实、一丝不苟
的科学作风。

实验成绩按实验学时所占课程总学时的比例计，目前按 20 分计。
每次的实验成绩由 3 部分组成：

（ 1 ）实验准备与实验数据测取部分占 40% ，由实验室教师给出；
（ 2 ）实验结果分析及思考题回答占 40% ，由授课教师给出；
（ 3 ）实验报告占 20% ，由实验室教师给出；
最终的实验成绩为各次实验成绩的平均值。

四、实验教材及参考书
《自动控制原理实验指导书》，成行洁、陆锦军编，南通职业大学印
《MATLAB语言及其应用》，陆锦军、成行洁编，南通职业大学印