自动控制原理

发布时间：2024-11-23 21:32

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spContent=自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。因此，自动控制技术的核心是控制，自动控制技术的发展趋势是人工智能控制。随着互联网+人工智能时代的到来，自动控制技术应用遍布各个领域，涉及工业、农业、家庭、医疗、军事、能源、环保等。欢迎学习自动控制原理课程，用控制思想武装头脑，用控制技术改变生活、改造世界！

自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。因此，自动控制技术的核心是控制，自动控制技术的发展趋势是人工智能控制。随着互联网+人工智能时代的到来，自动控制技术应用遍布各个领域，涉及工业、农业、家庭、医疗、军事、能源、环保等。欢迎学习自动控制原理课程，用控制思想武装头脑，用控制技术改变生活、改造世界！

—— 课程团队

课程概述

课程概述：

《自动控制原理》课程是高等院校自动化类、电气类、机械类、电子信息、能源动力等专业的主干学科基础理论课，专业必修课程，也是控制理论与实际工程应用紧密结合的一门经典课程。

该课程主要讲述经典控制理论，包括自动控制系统的基本概念、系统组成、结构、性能指标、类型（连续系统、离散系统）及特点，自动控制系统的分析方法（时域法、根轨迹法、频域法等）和校正设计。

学习本课程能够了解自动化技术在生产生活中的作用以及在智能制造领域的重要地位，掌握有关自动控制系统的运行机理、控制器参数对系统性能的影响，以及自动控制系统的各种分析方法和校正设计方法，为后续专业课程学习打下牢固的控制理论基础。

课程特点：

理论知识较多、理论性偏强；涉及知识面广、信息量大，系统性强；系统数学模型抽象，理解难度大；公式多、绘图和图形分析多、推导计算繁琐、数学素养要求高；习题量大，学习难度大、时间投入多；控制对象行业背景多，理论模型与实际控制对象缺乏一定结合，存在理论脱离实际现象；但是，该课程对控制类相关专业的后续专业课程学习具有较强的引导作用，能够为解决复杂工程问题提供理论依据、分析和设计方法，能够提高学生独立思考能力、辩证思维能力、综合分析及解决问题能力和科学研究能力，同时能够加强学生针对实际工程问题进行方案设计、模型构建、测试分析等实践操作能力的锻炼。

授课目标

本课程符合工程教育专业认证要求，凝练课程目标如下：

（1）能够理解自动控制相关的基本概念，掌握连续系统和离散系统的基本工作原理、描述系统组成，具备建立连续系统微分方程、离散系统脉冲传递函数等数学模型，绘制系统结构图，求解系统传递函数的能力。（支撑毕业要求内涵1 能够利用数学、自然科学和工程基础知识，建立一个具体对象或过程的数学模型并求解。）

（2）能够基于数学模型，应用线性连续系统的时域、复数域和频域以及线性离散系统的理论知识及分析方法，描述自动控制系统、分析系统性能、计算系统性能指标、判断系统稳定性等。（支撑毕业要求内涵2 能够运用数学、物理和控制理论等知识对自动化领域中复杂工程问题的关键环节进行识别和判断。）

（3）能够根据控制系统的性能要求，掌握PID基本控制规律，认识到不同PID控制方式和串联校正方式的优缺点，寻求系统校正设计的多种解决方案。（支撑毕业要求内涵2 能够认识到解决问题有多种方案可选择，并能通过文献研究寻求可替代的解决方案。）

（4）能够充分发挥主观能动性，利用现代教育信息技术不断探索，进行课内外自主学习，养成主动提出问题，解决问题的习惯，具备自主学习和终身学习的意识。（支撑毕业要求内涵12 在社会发展的大背景下，能认识到不断探索和学习的必要性，具有自主学习和终身学习的意识。）

（5）培养爱国精神、工匠精神，提高稳定意识和大局意识，培养系统思维、科学思维、批判式思维和创新意识，树立正确人生观和价值观，提升专业素养。（课程思政）

课程大纲

自动控制原理基本概念（4学时）

课时目标：学习目标：1. 掌握与自动控制系统相关的基本概念，能够综合运用相关理论，描述自动控制系统的组成，分析工作原理，绘制系统的原理方框图；2. 能够根据系统示意图，判断系统的控制方式，如开环控制、闭环控制和复合控制；3. 能够根据系统响应曲线，评价控制系统的基本性能，如稳定性、准确性和快速性；4.培养爱国精神、工匠精神，增强社会责任感。

主要内容：

1.自动控制的基本概念，自动控制理论的发展历程

2. 控制系统的组成及原理方框图

3. 自动控制系统的分类及控制方式

4. 控制系统的基本性能要求

控制系统的数学模型（6-8学时）

课时目标：学习目标：1. 掌握建立控制系统的微分方程、传递函数和绘制系统结构图等数学模型的方法；2. 能够综合应用物理系统的基本理论，建立复杂系统的微分方程、传递函数等数学模型；3. 掌握典型环节的传递函数，能够判断并识别控制系统中的各种典型环节，写出其传递函数；4. 能够根据系统中的典型环节，绘制复杂控制系统的结构图；5. 能够利用结构图等效变换法，化简复杂系统的结构图，求闭环系统的传递函数；6. 能够根据系统结构图或信号流图，利用梅森增益公式，求解复杂系统的传递函数；7.培养抽象思维、科学思维能力，强化创新意识，提升数学建模与工程应用结合的实践能力。

主要内容：

1. 建立控制系统的数学模型，如微分方程和传递函数

2. 六种典型环节及其微分方程和传递函数表达式

3. 控制系统的结构图及等效变换原则

4. 控制系统结构图等效化简的基本方法

5. 控制系统信号流图及梅森增益公式

6. 利用梅森增益公式求系统传递函数

控制系统的时域分析法（12学时）

课时目标：学习目标：1. 掌握几种典型输入信号，如单位阶跃信号、单位脉冲信号、单位斜坡信号和单位加速度信号的特点；2. 能够根据系统的性能要求，分析一阶系统、二阶系统的时域响应特点，求解系统的性能指标；3. 掌握控制系统稳定的充分必要条件，能够运用劳斯稳定判据，判断系统稳定性；4. 掌握减小或消除稳态误差的方法，能够运用基本方法，计算复杂控制系统的稳态误差；5.提升专业素养，培养正确人生观、价值观。

主要内容：

1. 控制系统时域响应的性能指标，如上升时间、延迟时间、调节时间、超调量等

2. 四种常用的典型输入信号及其特点

3. 单位阶跃输入信号作用下，分析一阶系统的时域响应，求解性能指标

4. 二阶系统的数学模型，特征参数，几种不同的阻尼状态及特点

5. 四种典型输入信号作用下，二阶系统的动态响应过程分析，动态性能指标计算

6. 利用劳斯判据，判断系统稳定性

7. 求解系统的稳态误差方法

控制系统的复数域分析法（4-6学时）

课时目标：学习目标：1. 掌握绘制常规根轨迹的基本法则和方法；2. 能够熟练运用法则，绘制复杂控制系统的常规根轨迹；3. 能够综合运用根轨迹分析法，判断系统稳定的参数取值范围，求解能够使系统稳定的参数值；4. 能够综合运用根轨迹分析法，分析系统的动态性能和稳态性能；5.培养爱国精神、做好人生规划。

主要内容：

1. 根轨迹的基本概念，常规根轨迹、参数根轨迹和零度根轨迹

2. 常规根轨迹的八条绘制法则

3. 利用根轨迹，分析系统的动态性能和稳态性能

控制系统的频域分析法（10-12学时）

课时目标：学习目标：1. 掌握频率特性的基本概念及其几何表示方法；2. 能够识别比例、积分、微分和惯性等几种典型环节的频率特性；3. 能够综合运用典型环节的频率特性，绘制复杂控制系统的开环幅相频率特性曲线；4. 能够综合运用典型环节的频率特性，绘制复杂控制系统的开环对数频率特性曲线；5. 能够根据最小相位系统的开环对数幅频特性曲线，求解系统的传递函数；6. 能够运用频域稳定判据（奈奎斯特稳定判据），分析判断闭环系统的稳定性；7.提高专业素养，树立稳定意识、大局意识和责任意识。

主要内容：

1. 频率特性的基本概念

2. 几种典型环节的频率特性表达式及其特点

3. 根据几种典型环节的频率特性，绘制开环幅相频率特性曲线（奈氏图）

4. 根据几种典型环节的频率特性，绘制开环对数频率特性曲线（伯德图）

5. 根据最小相位系统的开环对数幅频特性曲线，求解系统的传递函数

6. 奈奎斯特稳定判据的基本原理，特殊情况处理

7. 利用奈奎斯特稳定判据，判断系统的稳定性

8. 稳定裕度的基本概念，求解系统的“幅值裕度”和“相位裕度”

控制系统的校正（6-8学时）

课时目标：学习目标：1. 了解线性控制系统校正的基本概念；2. 掌握线性系统校正的基本方法；3. 掌握PID基本控制规律及特点；4. 能够综合运用PID控制方法，评价校正前和校正后系统的性能变化情况；5. 能够根据系统性能要求，选择合适的校正方式，寻求解决方案，设计用于改善系统性能的串联超前校正装置或串联滞后校正；6.树立正确人生观、价值观，培养团队和集体协作能力。

主要内容：

1. 线性系统校正的基本概念

2. 频率法串联超前校正的基本原理及设计步骤

3. 频率法串联滞后校正的基本原理及设计步骤

4. 频率法串联滞后-超前校正的基本原理

5. P、PI、PD及 PID四种基本控制规律的数学模型及特点

6. 综合运用PID控制方法，评价校正前后系统的性能变化情况

线性离散系统（6学时）

课时目标：学习目标：1. 掌握离散系统的采样过程与采样定理；2. 能够运用Z变换及差分方程，求离散系统的数学模型；3. 能够运用离散系统的基本理论，绘制离散系统的结构图；4. 能够根据结构图化简，求离散系统的传递函数；5. 能够根据离散系统的结构图，分析并求解动态性能指标；6. 能够综合运用稳定判据，分析离散系统的稳定性，求解离散系统的稳态误差。

主要内容：

1. 采样过程及采样定理

2. 信号恢复与信号保持

3. 离散系统的脉冲传递函数

4. 如何求离散系统的脉冲传递函数

5. 线性离散系统的稳定性分析

6. 线性离散系统的稳态误差计算

预备知识

先修课程：

普通物理（电学），电路基础，高等数学（微积分计算，常系数微分方程求解），线性代数（矩阵计算基本知识），复变函数（拉普拉斯变换），信号与系统等课程。

参考资料

1.《自动控制原理》（第3版），姜素霞、冯巧玲主编，北京航空航天大学出版社，2018年。