《自动控制原理D)》教学大纲 一、课程基本信息 课程名称 自动控制原理(D) Automatic Control Theory (D) 课程编号 D12167 课程性质 工程基础课 适用专业电气工程及其自动化 总学时 64学时 理论学时58学时实验学时6学时 学 分 4学分 开课学期第6学期 先修课程 高等数学、大学物理、复变函数与积分变换、电路、模拟电子技术 电力传动与控制系统、电力系统安全分析与控制、电力系统自动化、配电 后续课程 自动化技术等 二、课程性质和课程目标 1.课程性质 《自动控制原理(D)》是电气工程及其自动化专业重要的工程基础理论课之一。本课程的理论性 和工程应用性都很强，是数学思维在工程实践中的应用拓展：主要针对复杂工程系统的控制问题，基 于传递函数这一数学模型，应用时域、复域和频域等理论方法进行分析，并对系统存在的问题进行综 合校正，实现有效控制，达到满意的效果。 学生通过学习本课程，获得控制理论与工程应用相关的基本知识和基本技能，为学习后续课程 及从事本专业的工程技术工作和科学研究打下基础。 2.课程目标 课程目标1：能够分析自动控制系统的工作原理，识别控制系统的任务要求、组成部件及关键环 节，并根据系统的微分方程、动态结构图、信号流图以及脉冲响应函数求取系统传递函数，建立数学 模型 课程目标2：能够通过对控制领域中典型系统的时域分析及求解，理解控制系统性能的评价方法， 获得线性系统稳定性、快速性和准确性的评价手段：能分别应用时域法、根轨迹法和频率特性法分析 系统性能，根据要求正确选择系统的结构参数，并对系统的控制性能进行实验验证。 课程目标3：能够针对自动化领域的复杂工程问题，根据被测/控对象特征和控制性能要求，合理 选择补偿元件，通过分析、校正、实验等手段，对其进行有效改进，寻求设计相关复杂性问题的解决 方案，达到预期效果，并在设计中体现创新意识，考虑工程实我等因素。 课程目标4：能够根据线性离散系统的组成形式和结构特点求取系统脉冲传递函数，建立数学模 型：并能通过对离散系统时间响应的求解，计算系统的性能指标，判别系统的稳定性，并对系统的控 制性能进行实验验证
《自动控制原理(D)》教学大纲 一、课程基本信息 课程名称 自动控制原理(D) Automatic Control Theory (D) 课程编号 D12167 课程性质 工程基础课 适用专业 电气工程及其自动化 总 学 时 64 学时 理论学时 58 学时 实验学时 6 学时 学 分 4 学分 开课学期 第 6 学期 先修课程 高等数学、大学物理、复变函数与积分变换、电路、模拟电子技术 后续课程 电力传动与控制系统、电力系统安全分析与控制、电力系统自动化、配电 自动化技术等 二、课程性质和课程目标 1. 课程性质 《自动控制原理(D)》是电气工程及其自动化专业重要的工程基础理论课之一。本课程的理论性 和工程应用性都很强，是数学思维在工程实践中的应用拓展；主要针对复杂工程系统的控制问题，基 于传递函数这一数学模型，应用时域、复域和频域等理论方法进行分析，并对系统存在的问题进行综 合校正，实现有效控制，达到满意的效果。 学生通过学习本课程，获得控制理论与工程应用相关的基本知识和基本技能，为学习后续课程 及从事本专业的工程技术工作和科学研究打下基础。 2. 课程目标 课程目标 1：能够分析自动控制系统的工作原理，识别控制系统的任务要求、组成部件及关键环 节，并根据系统的微分方程、动态结构图、信号流图以及脉冲响应函数求取系统传递函数，建立数学 模型。 课程目标 2：能够通过对控制领域中典型系统的时域分析及求解，理解控制系统性能的评价方法， 获得线性系统稳定性、快速性和准确性的评价手段；能分别应用时域法、根轨迹法和频率特性法分析 系统性能，根据要求正确选择系统的结构参数，并对系统的控制性能进行实验验证。 课程目标 3：能够针对自动化领域的复杂工程问题，根据被测/控对象特征和控制性能要求，合理 选择补偿元件，通过分析、校正、实验等手段，对其进行有效改进，寻求设计相关复杂性问题的解决 方案，达到预期效果，并在设计中体现创新意识，考虑工程实践等因素。 课程目标 4：能够根据线性离散系统的组成形式和结构特点求取系统脉冲传递函数，建立数学模 型；并能通过对离散系统时间响应的求解，计算系统的性能指标，判别系统的稳定性，并对系统的控 制性能进行实验验证
三、课程目标与毕业要求的对应关系 毕业要求指标点 1.应用工程 4.研究工程问 知识 2.分析工程问题 23:分析实验或模扣 数据，并结合纸质文 44：能觞对研 课 13:能够对 程 究的整个环节 数学模型 献、电子文献与互联网 课程目标内容 和原理方 进行评价，给出 目标 数据等进行检索、整 程的正确 理、分析和归纳，利用 结论，并确定结 果的是影响因 性讲行亚 相关工程知识和原理 谨的推理 和研究中可以 揭示复杂电气工程问 改进完善的环 并给出解 题的内在规律，确定有 效的问题解决方向 节。 课能够分析自动控制系统的工作原理，识 程 别控制系统的任务要求、组成部件及 目键环节，并根据系统的微分方程、动态 标结构图和信号流图求取系统传递函数 1建立数学模型。 能够通过对控制领域中典型系统的时域 课分析及求解，理解控制系统性能的评价 程方法，获得线性系统稳定性、快速性和 目准确性的评价手段：分别应用时域法、 标根轨迹法和频率特性法分析系统性能， 根据要求正确选择系统的结构参数，并 对系统的控制性能进行实验验证。 能够针对电气工程领域的复杂工程问 课题，根据被测/控对象特征和控制性能要 程 求，合理选择补偿元件，通过分析、校 目正、实验等手段，对其进行有效改进， 标 寻求设计相关复杂性问题的解决方案， 3 达到预期效果，并在设计中体现创新意 识，考虑工程实践等因素 能够根据线性离散系统的组成形式和结 课 程 构特点求取系统脉冲传递函数，建立数 学模型：并能通过对离散系统时间响应 标 的求解，计算系统的性能指标，判别系 统的稳定性，对系统进行综合校正和系 4 统性能的实验验证。 四、教学内容与课程目标的关系
三、课程目标与毕业要求的对应关系 课 程 目 标 课程目标内容 毕业要求指标点 1.应用工程 知识 2. 分析工程问题 4.研究工程问 题 1.3：能够对 数学模型 和原理方 程的正确 性进行严 谨的推理 并给出解。 2.3：分析实验或模拟 数据，并结合纸质文 献、电子文献与互联网 数据等进行检索、整 理、分析和归纳，利用 相关工程知识和原理 揭示复杂电气工程问 题的内在规律，确定有 效的问题解决方向 4.4：能够对研 究的整个环节 进行评价，给出 结论，并确定结 果的影响因素 和研究中可以 改进完善的环 节。 课 程 目 标 1 能够分析自动控制系统的工作原理，识 别控制系统的任务要求、组成部件及关 键环节，并根据系统的微分方程、动态 结构图和信号流图求取系统传递函数， 建立数学模型。 √ √ 课 程 目 标 2 能够通过对控制领域中典型系统的时域 分析及求解，理解控制系统性能的评价 方法，获得线性系统稳定性、快速性和 准确性的评价手段；分别应用时域法、 根轨迹法和频率特性法分析系统性能， 根据要求正确选择系统的结构参数，并 对系统的控制性能进行实验验证。 √ √ 课 程 目 标 3 能够针对电气工程领域的复杂工程问 题，根据被测/控对象特征和控制性能要 求，合理选择补偿元件，通过分析、校 正、实验等手段，对其进行有效改进， 寻求设计相关复杂性问题的解决方案， 达到预期效果，并在设计中体现创新意 识，考虑工程实践等因素。 √ 课 程 目 标 4 能够根据线性离散系统的组成形式和结 构特点求取系统脉冲传递函数，建立数 学模型；并能通过对离散系统时间响应 的求解，计算系统的性能指标，判别系 统的稳定性，对系统进行综合校正和系 统性能的实验验证。 √ √ √ 四、教学内容与课程目标的关系
序知识 号搅块 知识点 学习要求 参考对应课 程目标 1控制理论的发展与应用 1.明确典型控制系统的任务要求，认 2.手动与自动控制系统的 清其组成元部件及关键环节： 控制 实例分析： 2建立自动控制的基本概念，判断出 课程 系结 3 3系统的元部件、控生制原 系统的类型、控制方式和结构参数 概论 目标1 理、控制方式及分类 根据系统原理图画出其方框图 4.对控制系统的基本要求 4.明确控制系统对稳、快、准的要求 1系统微分方程的建立方1根据系统微分方程求取传递函数： 2想据申网终的复阳抗求取传递承 线性 2传递函数的定义及典型 数 2针对实际控制系统画出其结构图， 连续 环节的传递函数： 3.根据电网络的复阻抗概 并通过其等效变换和梅逊公式熟练 控制 今求取传递函数： 求取传递函数： 2 系统 课程 的数 4,建立系统动态结构图白 3.针对实际控制系统画出其信号流 10 目标1 方法及结构图的等效变换 图，并通过梅逊公式熟练求取传递函 学模 型 5.建立系统信号流图的方 数： 法： 4根据系统的脉冲响应函数，求出系 6.梅逊公式的运用及各类 统的传递函数及任意输入信号下的 传递函数的求取。 输出响应。 1.分析一阶系统在典型输入信号下的 时间响应，计算调节时间和稳态误 ,系统性能指标的定义 并根据要求选择系统参数 2.一阶系统的时域响应与 2. 分析二阶系统在不同阻尼比下的 线性 性能指标计算： 连续 阶跃响应，熟练计算欠阻尼下的超调 3一阶系统动态性能分析 量、调节时间和稳态误差，并根据要 3 系统 指标计算与性能改善措施 求选择系统参数 课程 的 4.高阶系统主导极点概。 3.根据对二阶系统的要求选择合适的 目标2 与性能估算方法： 借施改善其动态性能： 域分 5稳定判据与实际应用： 析法 4.熟练应用劳斯判据判别线性连续系 6,稳态误差计算与提高稳 统的稳定性，并根据稳定要求选择系 态精度的措施。 统参数 5熟练计算系统的稳态误差，并根据 要求选择系统参数。 线性 1,根轨迹概念与根轨迹方 1根据根轨迹方程以及绘制法则，熟 程 连续 练绘制系统的常规根轨迹、零度根轨 2常规根轨迹的绘制法则 控制 迹与参量根轨迹： 系统 3.零度根轨迹和参量根轨 2在根轨迹图上分析系统的稳定性， 课程 4 的 迹的绘制方法 计算系统的性能指标，确定要求的 7 目标2 迹 4.系统性能的根轨迹分析 环极点位置： 法： 分析 3根据系统要求，通过增加零极点的 5.增加零极点对系统性能 方法调整根轨迹的形状和参数，达到 法 的影响。 预期效果。 线性 1.频率响应与频率特性的 1分清频率特性的四种图形表示方 10 课程
序 号 知识 模块 知识点 学习要求 参考 课时 对应课 程目标 1 控制 系统 概论 1.控制理论的发展与应用； 2.手动与自动控制系统的 实例分析； 3.系统的元部件、控制原 理、控制方式及分类； 4.对控制系统的基本要求。 1.明确典型控制系统的任务要求，认 清其组成元部件及关键环节； 2.建立自动控制的基本概念，判断出 系统的类型、控制方式和结构参数； 3.根据系统原理图画出其方框图； 4.明确控制系统对稳、快、准的要求。 3 课程 目标 1 2 线性 连续 控制 系统 的数 学模 型 1.系统微分方程的建立方 法； 2.传递函数的定义及典型 环节的传递函数； 3.根据电网络的复阻抗概 念求取传递函数； 4.建立系统动态结构图的 方法及结构图的等效变换； 5.建立系统信号流图的方 法； 6.梅逊公式的运用及各类 传递函数的求取。 1.根据系统微分方程求取传递函数； 2.根据电网络的复阻抗求取传递函 数； 2.针对实际控制系统画出其结构图， 并通过其等效变换和梅逊公式熟练 求取传递函数； 3.针对实际控制系统画出其信号流 图，并通过梅逊公式熟练求取传递函 数； 4.根据系统的脉冲响应函数，求出系 统的传递函数及任意输入信号下的 输出响应。 10 课程 目标 1 3 线性 连续 控制 系统 的时 域分 析法 1.系统性能指标的定义； 2.一阶系统的时域响应与 性能指标计算； 3.二阶系统动态性能分析、 指标计算与性能改善措施； 4.高阶系统主导极点概念 与性能估算方法； 5.稳定判据与实际应用； 6.稳态误差计算与提高稳 态精度的措施。 1.分析一阶系统在典型输入信号下的 时间响应，计算调节时间和稳态误 差，并根据要求选择系统参数； 2．分析二阶系统在不同阻尼比下的 阶跃响应，熟练计算欠阻尼下的超调 量、调节时间和稳态误差，并根据要 求选择系统参数； 3.根据对二阶系统的要求选择合适的 措施改善其动态性能； 4.熟练应用劳斯判据判别线性连续系 统的稳定性，并根据稳定要求选择系 统参数； 5.熟练计算系统的稳态误差，并根据 要求选择系统参数。 10 课程 目标 2 4 线性 连续 控制 系统 的根 轨迹 分析 法 1.根轨迹概念与根轨迹方 程； 2.常规根轨迹的绘制法则； 3.零度根轨迹和参量根轨 迹的绘制方法； 4.系统性能的根轨迹分析 法； 5.增加零极点对系统性能 的影响。 1.根据根轨迹方程以及绘制法则，熟 练绘制系统的常规根轨迹、零度根轨 迹与参量根轨迹； 2.在根轨迹图上分析系统的稳定性， 计算系统的性能指标，确定要求的闭 环极点位置； 3.根据系统要求，通过增加零极点的 方法调整根轨迹的形状和参数，达到 预期效果。 7 课程 目标 2 5 线性 1.频率响应与频率特性的 1.分清频率特性的四种图形表示方 法； 10 课程
连续 概念： 2.在正弦信号下计算系统的稳态误 目标2 控制 2.典型环节及开环频率特 系统 性的绘制： 3.熟练绘制开环系统的极坐标图和 的频 3.奈奎斯特稳定判据及其 Bde图，区分最小相位系统与非 应用： 小相位系统 性 4稳定格府的计算： 4.在开环系统的极坐标图上熟练应用 析法 5.开环对数频率特性与系 奈奎斯特判据判别闭环系统稳定性： 统性能的关系、 三频段定 5.在开环系统Bode图上熟练计算幅 理： 值稳定裕府和相角裕府： 6.闭环频域指标、开环频域 6.根据开环系统Bode图的三频段 指标与时域指标间的关系， 分，熟练计算闭环系统的超调量、调 7,传递函数的实验确定法 节时间和稳态误差，并对系统的抗高 频能力进行分析： 7.对于最小相位系统，根据其Bd 图孰练写出传递函数 熟悉校正装置的频率特性及其对系 统的改进作用： 2.应用分析法在Bode图上对系统进 1.系统校正问题概述： 行超前校正和滞后校正，满足指标要 线性 2.串联校正装置、特性与作 控制 用： ?孰悉T程应用中的PD调节婴 制，根据实际工程要求设计合理的 6 系统 3.分析法串联校正的方法 7 的校 与步骤： 节器 4期塑特性法串联校正的 4.熟练应用期望特性法在Bode图H 思想与步聚： 对系统进行串联校正，获得容易实现 5.复合控制的原理与实现。 的校正装置： 5应用复合控制原理，通过合理选择 系统参数，达到提高系统稳态性能的 目的。 1信号的采样与保持，采样 1通过分析信号采样与保持的数学描 定理： 述，明确采样定理的条件： 2.保持器的传递函数及其 2.熟悉零阶保持器的传递函数及其频 频率特性： 率特性 3,Z变换与Z反变换，Z变 3.应用Z变换求解差分方程： 换的定理： 4熟练求取系统的开环与闭环脉冲传 线性 递函数： 4.脉冲传递函数的定义与 离散 5通过求解离散系统的阶跃响应，分 求取： 7 控制 析复杂离散工程问愿的影响因素与 课程 系统 离散系统的阶跃响应分 解决途径， 得出有效结论 目标4 析： 研究 6.离散系统零极点分布与 6通过双线性变换熟练应用劳斯判据 判别离散系统的稳定性，并根据稳定 动态性能的关系： 要求洗择系统参数： 7稳定性分析原理与方法 ,孰练计算离散系统的稳态误差， 并 8稳态误差的求取： 根据稳定要求选择系统参数， 9.最少拍系统及其设计方 能在典型输入信号下设计最少拍系 法。 统
连续 控制 系统 的频 率特 性分 析法 概念； 2.典型环节及开环频率特 性的绘制； 3.奈奎斯特稳定判据及其 应用； 4.稳定裕度的计算； 5.开环对数频率特性与系 统性能的关系、三频段 定 理； 6.闭环频域指标、开环频域 指标与时域指标间的关系； 7.传递函数的实验确定法。 2.在正弦信号下计算系统的稳态误 差； 3.熟练绘制开环系统的极坐标图和 Bode 图，区分最小相位系统与非最 小相位系统； 4.在开环系统的极坐标图上熟练应用 奈奎斯特判据判别闭环系统稳定性； 5.在开环系统 Bode 图上熟练计算幅 值稳定裕度和相角裕度； 6.根据开环系统 Bode 图的三频段 划 分，熟练计算闭环系统的超调量、调 节时间和稳态误差，并对系统的抗高 频能力进行分析； 7.对于最小相位系统，根据其 Bode 图熟练写出传递函数。 目标 2 6 线性 控制 系统 的校正 1.系统校正问题概述； 2.串联校正装置、特性与作 用； 3.分析法串联校正的方法 与步骤； 4.期望特性法串联校正的 思想与步骤； 5.复合控制的原理与实现。 1.熟悉校正装置的频率特性及其对系 统的改进作用； 2.应用分析法在 Bode 图上对系统进 行超前校正和滞后校正，满足指标要 求； 3.熟悉工程应用中的 PID 调节器控 制，根据实际工程要求设计合理的调 节器； 4.熟练应用期望特性法在 Bode 图上 对系统进行串联校正，获得容易实现 的校正装置； 5.应用复合控制原理，通过合理选择 系统参数，达到提高系统稳态性能的 目的。 7 课程 目标 3 7 线性 离散 控制 系统 研究 1.信号的采样与保持，采样 定理； 2.保持器的传递函数及其 频率特性； 3.Z 变换与 Z 反变换， Z 变 换的定理； 4.脉冲传递函数的定义与 求取； 5.离散系统的阶跃响应分 析； 6.离散系统零极点分布与 动态性能的关系 ； 7.稳定性分析原理与方法； 8.稳态误差的求取 ； 9.最少拍系统及其设计方 法。 1.通过分析信号采样与保持的数学描 述，明确采样定理的条件； 2.熟悉零阶保持器的传递函数及其频 率特性； 3.应用 Z 变换求解差分方程； 4.熟练求取系统的开环 与闭环脉冲传 递函数； 5.通过求解离散系统的阶跃响应，分 析复杂离散工程问题的影响因素与 解决途径，得出有效结论。 6.通过双线性变换熟练应用劳斯判据 判别离散系统的稳定性，并根据稳定 要求选择系统参数； 7.熟练计算离散系统的稳态误差， 并 根据稳定要求选择系统参数 ， 8.能在典型输入信号下设计最少拍系 统。 1 1 课程 目标 4
(1)熟悉实验装置和上位机软件的 使用方法： 1典型环节阶跃响应的司 态测试。 (2)对每一种典型环节的阶跃响 进行测量，得出有效结果，并分析系 统参数变化对性能的影响： 2.二阶系统与典型系统时 (3)对二阶系统和三阶典型系统进 域响应的测试。 行时间响应的测量 得出有效结果 6学时 (4)测量出典型环节（或系统）的 课程 (选择 实验 3.典型环节和系统频率特 目标2 须率特性曲线，并分析系统参数变化 其中 性的测量。 对频密持性的影响 个 (5)根据系统对性能指标的要求， 验) 4线性定常系统的串联核 设计串联校正装置，测量校正前后系 课程 正。 统的阶跃响应，并进行结果对比，得 目标3 出有效结论： 5.采样系统性能分析与研 (6)用混合仿真方法研究采样控制 课程 究。 系统的阶跃响应级指标计算： 目标4 五、教学方法和学习建议 1.教学方法建议 根据本课程的特点，按照模块化教学理念，以“建模一分析一综合”为主线，以“稳、快、准”为载 体，有针对性的应用板书教学、多媒体教学、视频教学、网络教学、工程实例、实验教学、软件仿真 等手段优化教学过程，激发学生的热情，以小组讨论与问题启发方式发挥学生的主体作用，真正做到 “授人以鱼，更要教人以渔”。 教学过程中贯彻重概念、重理论、重方法的“三注重”教学法，采用“结合实物讲组成，结合工程 讲分析，结合实际讲校正”的三结合”教授原则，提高课堂教学效果，并引导学生进行知识融合、思 路拓展，加强相关学科知识的横向联系：同时，通过实验教学提高学生的工程素质。 ⊙传统教学与多媒体教学结合法：板书和多媒体教学相结合，采用动画、实物演示等，提高课堂 教学信息量，增强教学的直观性。 ②案例教学法：对于每一知识模块，通过分析和研究已有的案例组织教学，使学生在分析和学习 案例的过程中，提高理论联系实际的能力，了解理论知识的工程应用。 ③任务驱动教学法：在每一知识模块开始学习之前，先讲述该模块要解决的问恩，并据此给学生 布置任务，使学生带若任务去学习。 ④时论牧学法：学生以小组为单位，根据教师提出的问题或提供的教学资料，在教师的组织和引 导下，积极参与课堂讨论，从而实现教与学的互动：增强学生思维的灵活性，提高学生交流、沟通的 能力。 ⑤反转课堂教学法：建立课前学习、课中活动、课后检测之间的联系，以培养学生分析问题和解 决问题的能力，敢于表达自己的主张，形成探究学习的习惯
8 实验 1.典型环节阶跃响应的动 态测试。 （1）熟悉实验装置和上位机软件的 使用方法； （2）对每一种典型环节的阶跃响应 进行测量，得出有效结果，并分析系 统参数变化对性能的影响； 6 学时 （选择 其中 3 个 实 验） 课程 目标 1 2.二阶系统与典型系统时 域响应的测试。 （3）对二阶系统和三阶典型系统进 行时间响应的测量，得出有效结果。 课程 3.典型环节和系统频率特 目标 2 性的测量。 （4）测量出典型环节（或系统）的 频率特性曲线，并分析系统参数变化 对频率特性的影响； 4.线性定常系统的串联校 正。 （5）根据系统对性能指标的要求， 设计串联校正装置，测量校正前后系 统的阶跃响应，并进行结果对比，得 出有效结论； 课程 目标 3 5.采样系统性能分析与研 究。 （6）用混合仿真方法研究采样控制 系统的阶跃响应级指标计算； 课程 目标 4 五、教学方法和学习建议 1. 教学方法建议 根据本课程的特点，按照模块化教学理念，以“建模—分析—综合”为主线，以“稳、快、准”为载 体，有针对性的应用板书教学、多媒体教学、视频教学、网络教学、工程实例、实验教学、软件仿真 等手段优化教学过程，激发学生的热情，以小组讨论与问题启发方式发挥学生的主体作用，真正做到 “授人以鱼，更要教人以渔”。 教学过程中贯彻重概念、重理论、重方法的“三注重”教学法，采用“结合实物讲组成，结合工程 讲分析，结合实际讲校正”的“三结合”教授原则，提高课堂教学效果，并引导学生进行知识融合、思 路拓展，加强相关学科知识的横向联系；同时，通过实验教学提高学生的工程素质。 ①传统教学与多媒体教学结合法：板书和多媒体教学相结合，采用动画、实物演示等, 提高课堂 教学信息量，增强教学的直观性。 ②案例教学法：对于每一知识模块，通过分析和研究已有的案例组织教学，使学生在分析和学习 案例的过程中，提高理论联系实际的能力，了解理论知识的工程应用。 ③任务驱动教学法：在每一知识模块开始学习之前，先讲述该模块要解决的问题，并据此给学生 布置任务，使学生带着任务去学习。 ④讨论教学法：学生以小组为单位，根据教师提出的问题或提供的教学资料，在教师的组织和引 导下，积极参与课堂讨论，从而实现教与学的互动；增强学生思维的灵活性，提高学生交流、沟通的 能力。 ⑤反转课堂教学法：建立课前学习、课中活动、课后检测之间的联系，以培养学生分析问题和解 决问题的能力，敢于表达自己的主张，形成探究学习的习惯