《自动控制原理》教学大纲 课程编号 302170040 课程性质必修 课程名称 自动控制原理 学时/学分64/4 英文名称 Principles of Automatic Control 考核方式闭卷笔试 《自动控制原理》第4版王建辉 选用教材 大纲执笔人 罗航 冶金工业出版社 专业教学 先修课程高等数学、电路原理、大学物理、工程数学等 审核人 指导组 适用专业 测控技术与仪器 一、课程目标 通过本课程的教学，达到如下目标： 1.能够解释自动控制技术的相关专业术语和概念：理解自动控制技术关注的指 标。 2.能够根据具体的自动控制问题，利用电路分析原理、机械力学运动规律等知 识建立控制系统的数学模型：能够借助变换工具分析并研究系统的基本环节 获得其典型特征和指标。 3.能够借助Laplace变换工具研究典型系统的时域约束关系，分析系统的各种 典型性能指标，理解零极点对系统暂态性能的影响：能够利用稳定性判据判 断系统稳定性：在理解稳态误差含义的基础上，能够计算稳定系统的稳态误 差，理解减少稳态误差的工程设计原则和方法。 4.在理解根轨迹基本原理及典型特征的基础上，能够绘制给定条件的根轨迹图 根据绘制的根轨迹，具有分析研究系统指标特性的思维、方法和技能。 5.理解控制系统的频率特性对于工程实际问题分析和研究的优势：能够利用幅 相频率特性（伯德图）分析开（闭环）系统的稳定性及频域性能指标，明确 各种频域性能指标和时域性能指标之间的关系。 6.能借助现代仿真（模拟）工具对自动控制系统进行仿真建模—能够根据系 统的具体指标和要求，初步研究自控系统的验证测试性问题及综合设计性问 题，初步训练复杂工程问题的分析和设计技能： 7.通过文献研究，对综合性自动控制问题（研讨项目）进行可行性论证、优化 决策、功能分解，方案设计等训练，初步具有团队协作，信息挖掘、交流观
《自动控制原理》教学大纲 课程编号 302170040 课程性质 必修 课程名称 自动控制原理 学时/学分 64/4 英文名称 Principles of Automatic Control 考核方式 闭卷笔试 选用教材 《自动控制原理》第 4 版 王建辉 冶金工业出版社 大纲执笔人 罗航 先修课程 高等数学、电路原理、大学物理、工程数学等 审核人 专业教学 指导组 适用专业 测控技术与仪器 一、 课程目标 通过本课程的教学，达到如下目标： 1. 能够解释自动控制技术的相关专业术语和概念；理解自动控制技术关注的指 标。 2. 能够根据具体的自动控制问题，利用电路分析原理、机械力学运动规律等知 识建立控制系统的数学模型；能够借助变换工具分析并研究系统的基本环节， 获得其典型特征和指标。 3. 能够借助 Laplace 变换工具研究典型系统的时域约束关系，分析系统的各种 典型性能指标，理解零极点对系统暂态性能的影响；能够利用稳定性判据判 断系统稳定性；在理解稳态误差含义的基础上，能够计算稳定系统的稳态误 差，理解减少稳态误差的工程设计原则和方法。 4. 在理解根轨迹基本原理及典型特征的基础上，能够绘制给定条件的根轨迹图； 根据绘制的根轨迹，具有分析研究系统指标特性的思维、方法和技能。 5. 理解控制系统的频率特性对于工程实际问题分析和研究的优势；能够利用幅 相频率特性（伯德图）分析开（闭环）系统的稳定性及频域性能指标，明确 各种频域性能指标和时域性能指标之间的关系。 6. 能借助现代仿真（模拟）工具对自动控制系统进行仿真建模——能够根据系 统的具体指标和要求，初步研究自控系统的验证测试性问题及综合设计性问 题，初步训练复杂工程问题的分析和设计技能: 7. 通过文献研究，对综合性自动控制问题（研讨项目）进行可行性论证、优化 决策、功能分解，方案设计等训练，初步具有团队协作，信息挖掘、交流观
点和撰写报告的能力。 二、教学内容 第一章绪论（支撑课程目标1） 分析自动控制技术的相关专业术语和概念：分析三大指标：稳定性，准确性 (稳态误差)，快速性（暂态性能指标）的基本要求：介绍自动控制系统类型： 简要介绍经典控制理论及现代控制理论间的区别和联系。 1.1开环控制系统与闭环控制系统 1.2闭环控制系统的组成和基本环节 1.3自动控制系统类型 1.4自动控制系统的性能指标 第二章自动控制系统的数学模型（支撑课程目标2,6） 利用电路原理、机械力学运动规律等知识建立控制系统的数学模型一关于 系统输入和输出关系的微分方程：在微分方程的基础上引入传递函数：分析和研 究系统结构图（等效化简）。 2.1动态微分方程的编写 2.2非线性数学模型线性化 2.3传递函数 2.4系统动态结构图 2.5系统传递函数和结构图的等效变换 2.6信号流图 要求学生：能够根据具体的自动控制问题，利用电路分析原理、机械力学 运动规律等知识建立控制系统的数学模型；能够借助变换工具分析并研究系统 的基本环节，获得其典型特征和指标；初步训练自动控制工程问题的分析思路 和研究方法，获得系统分解和综合的基本技能。 1)能够理解比例、惯性、积分、微分、振荡、时滞环节的表述及典型模型。 2)能理解引入拉普拉斯变换的背景和意义，明确传递函数是研究系统动态 性能的主要数学模型。 3)在理解系统结构图与传递函数关系的基础上，明确结构图等效变换的本 质和变换技巧，能够对系统结构图进行等效变换。 4)在理解信号流图基本术语的基础上，理解梅逊公式的本质（各部分的定
点和撰写报告的能力。 二、 教学内容 第一章 绪论（支撑课程目标 1） 分析自动控制技术的相关专业术语和概念；分析三大指标：稳定性，准确性 （稳态误差），快速性（暂态性能指标）的基本要求；介绍自动控制系统类型； 简要介绍经典控制理论及现代控制理论间的区别和联系。 1.1 开环控制系统与闭环控制系统 1.2 闭环控制系统的组成和基本环节 1.3 自动控制系统类型 1.4 自动控制系统的性能指标 第二章 自动控制系统的数学模型（支撑课程目标 2，6） 利用电路原理、机械力学运动规律等知识建立控制系统的数学模型——关于 系统输入和输出关系的微分方程；在微分方程的基础上引入传递函数；分析和研 究系统结构图（等效化简）。 2.1 动态微分方程的编写 2.2 非线性数学模型线性化 2.3 传递函数 2.4 系统动态结构图 2.5 系统传递函数和结构图的等效变换 2.6 信号流图 要求学生：能够根据具体的自动控制问题，利用电路分析原理、机械力学 运动规律等知识建立控制系统的数学模型；能够借助变换工具分析并研究系统 的基本环节，获得其典型特征和指标；初步训练自动控制工程问题的分析思路 和研究方法，获得系统分解和综合的基本技能。 1）能够理解比例、惯性、积分、微分、振荡、时滞环节的表述及典型模型。 2）能理解引入拉普拉斯变换的背景和意义，明确传递函数是研究系统动态 性能的主要数学模型。 3）在理解系统结构图与传递函数关系的基础上，明确结构图等效变换的本 质和变换技巧，能够对系统结构图进行等效变换。 4）在理解信号流图基本术语的基础上，理解梅逊公式的本质（各部分的定
义和计算方法)，能够利用梅逊公式计算系统的传递函数。 第三章自动控制系统的时域分析（支撑课程目标3,6） 本章研究自控的时域分析方法。主要包括系统的稳定性、暂态性及稳态误差 性能指标。通过上述性能指标的研究，建立稳定性判别方法和稳态误差计算方法。 提出工程设计对控制系统性能指标的基本要求、原则和方法。 3.1自动控制系统的时域指标 3.2一阶系统的阶跃响应 3.3二阶系统的阶跃响应 3.4高阶系统的暂态响应 3.5自动控制系统的代数稳定性判据 3.6稳态误差 要求学生：能够借助Laplace变换研究典型系统的时域约束关系，分析各 种典型性能指标，理解零极点对系统暂态性能的影响：能够利用稳定性判据判 断系统稳定性：在理解稳态误差含义的基础上，能够计算稳定系统的稳态误差， 理解减少稳态误差的工程设计原则和方法。 1)知道并理解自动控制系统的典型要求：稳定性，准确性（稳态误差指标） 和快速性（暂态性能指标）。 2)知道并识记典型时域信号的Laplace变换。 3)能分析一阶、二阶系统的阶跃响应及相应的暂态性能指标，理解系统零 极点对系统暂态性能的影响。 4)能从系统特征方式的角度理解自动控制系统稳定的充分必要条件，能够 利用劳斯判据（胡尔维茨判据）判定系统的稳定性。能理解劳斯判据（胡尔维 茨判据)的使用条件；能够从关注性能指标角度建立相对稳定性的概念，理解 稳定裕量的含义及其在工程实际中的意义；能够根据特征根的负实部计算系统 的稳定裕量。 5)能够理解扰动稳态误差和给定稳态误差的定义及其计算方法；能够正确 分析影响稳态误差的决定因素；能够利用减小稳态误差的补偿方法解决实际工 程问题。 第四章根轨迹法（支撑课程目标4,6）》 在利用开环参数变化控制闭环系统特征方程式解的思想下，主要研究用开环
义和计算方法），能够利用梅逊公式计算系统的传递函数。 第三章 自动控制系统的时域分析（支撑课程目标 3，6） 本章研究自控的时域分析方法。主要包括系统的稳定性、暂态性及稳态误差 性能指标。通过上述性能指标的研究，建立稳定性判别方法和稳态误差计算方法。 提出工程设计对控制系统性能指标的基本要求、原则和方法。 3.1 自动控制系统的时域指标 3.2 一阶系统的阶跃响应 3.3 二阶系统的阶跃响应 3.4 高阶系统的暂态响应 3.5 自动控制系统的代数稳定性判据 3.6 稳态误差 要求学生：能够借助 Laplace 变换研究典型系统的时域约束关系，分析各 种典型性能指标，理解零极点对系统暂态性能的影响；能够利用稳定性判据判 断系统稳定性；在理解稳态误差含义的基础上，能够计算稳定系统的稳态误差， 理解减少稳态误差的工程设计原则和方法。 1）知道并理解自动控制系统的典型要求：稳定性，准确性（稳态误差指标） 和快速性（暂态性能指标）。 2）知道并识记典型时域信号的 Laplace 变换。 3）能分析一阶、二阶系统的阶跃响应及相应的暂态性能指标，理解系统零 极点对系统暂态性能的影响。 4）能从系统特征方式的角度理解自动控制系统稳定的充分必要条件，能够 利用劳斯判据（胡尔维茨判据）判定系统的稳定性。能理解劳斯判据（胡尔维 茨判据）的使用条件；能够从关注性能指标角度建立相对稳定性的概念，理解 稳定裕量的含义及其在工程实际中的意义；能够根据特征根的负实部计算系统 的稳定裕量。 5）能够理解扰动稳态误差和给定稳态误差的定义及其计算方法；能够正确 分析影响稳态误差的决定因素；能够利用减小稳态误差的补偿方法解决实际工 程问题。 第四章 根轨迹法（支撑课程目标 4，6） 在利用开环参数变化控制闭环系统特征方程式解的思想下，主要研究用开环
系统根轨迹放大系数的变化来建立系统闭环特征根变化的根轨迹。具体研究根轨 迹的基本概念及绘制方法。利用根轨迹（开环零极点）的分布研究闭环系统的稳 定性及暂态品质。 4.1根轨迹的基本概念 4.2根轨迹的绘制法则 4.3用根轨迹法分析系统的暂态特性 要求学生：在理解根轨迹基本原理及典型特征的基础上，能够绘制给定条件 的根轨迹图；根据绘制的根轨迹，具有研究系统特性（比如稳定性、快速性） 的思维、方法和技能。 1)能解释根轨迹法的概念和本质，理解根轨迹的幅值条件和辐角条件的意 义。 2)能理解根轨迹的起点、终点、分支数、对称性、实轴上的根轨迹、分离 点和汇合点、渐近线、出射角和入射角、与虚轴交点、走向等特点的本质，能 根据这些特点绘制系统的根轨迹： 3)能理解一般根轨迹和时滞根轨迹、零度根轨迹的区别和联系。理解广义 根轨迹的本质，能够根据具体要求获取特定参量的等效开环传递函数。 4)能利用根轨迹的理论研究系统的暂态特性，理解开环零点、极点及偶极 子对根轨迹的影响。 第五章频率法（支课程目标5、6、7） 理解频率法引入的意义（优点），研究频率法的本质和描述方法，学习用频 率法揭示系统稳定特性和暂态特性的基本原理，研究系统的环节（参数）影响系 统性能指标的综合技术，为仿真设计和工程应用奠定理论分析基础。 5.1频率特性的基本概念 5.2频率特性的表示方法 5.3典型环节的频率特性 5.4系统开环频率特性的绘制 5.5用频率法分析控制系统的稳定性 5.6系统暂态特性和开环频率特性的关系 5.7闭环系统频率特性 5.8系统暂态特性和闭环频率特性的关系 要求学生：
系统根轨迹放大系数的变化来建立系统闭环特征根变化的根轨迹。具体研究根轨 迹的基本概念及绘制方法。利用根轨迹（开环零极点）的分布研究闭环系统的稳 定性及暂态品质。 4.1 根轨迹的基本概念 4.2 根轨迹的绘制法则 4.3 用根轨迹法分析系统的暂态特性 要求学生：在理解根轨迹基本原理及典型特征的基础上，能够绘制给定条件 的根轨迹图；根据绘制的根轨迹，具有研究系统特性（比如稳定性、快速性） 的思维、方法和技能。 1）能解释根轨迹法的概念和本质，理解根轨迹的幅值条件和辐角条件的意 义。 2）能理解根轨迹的起点、终点、分支数、对称性、实轴上的根轨迹、分离 点和汇合点、渐近线、出射角和入射角、与虚轴交点、走向等特点的本质，能 根据这些特点绘制系统的根轨迹； 3）能理解一般根轨迹和时滞根轨迹、零度根轨迹的区别和联系。理解广义 根轨迹的本质，能够根据具体要求获取特定参量的等效开环传递函数。 4）能利用根轨迹的理论研究系统的暂态特性，理解开环零点、极点及偶极 子对根轨迹的影响。 第五章 频率法（支撑课程目标 5、6、7） 理解频率法引入的意义（优点），研究频率法的本质和描述方法，学习用频 率法揭示系统稳定特性和暂态特性的基本原理，研究系统的环节（参数）影响系 统性能指标的综合技术，为仿真设计和工程应用奠定理论分析基础。 5.1 频率特性的基本概念 5.2 频率特性的表示方法 5.3 典型环节的频率特性 5.4 系统开环频率特性的绘制 5.5 用频率法分析控制系统的稳定性 5.6 系统暂态特性和开环频率特性的关系 5.7 闭环系统频率特性 5.8 系统暂态特性和闭环频率特性的关系 要求学生：
理解控制系统的频率特性对于工程实际问题分析和研究的优势（利用开环 特性判定闭环稳定性，通过测试方法快速理解系统的特性，从而为分析和研究 系统性能提供一种易于实现的方法)。在理解频率法的知识体系和原理的基础上， 能够利用幅相频率特性（伯德图）分析开（闭）环系统的频域性能指标（稳定 性、准确性和快速性)，明确各种频域性能指标和时域性能指标之间的关系。 通过文献研究，对综合性自动控制问题（研讨项目）进行可行性论证、优 化决策、功能分解，方案设计等训练，初步具有团队协作，信息挖掘、交流观 点和撰写报告的能力。 1)正确理解频率特性的本质，理解幅相频率特性的两种表示方法，能理解 并解释奈氏图的意义。 2)能理解对数坐标的特点及优点，理解伯德图的组成及构成特点。 3)理解典型环节（比例、惯性、微分、积分、振荡、时滞和最小相位环节） 的幅频特性与对数频率特性， 4)根据不同类型系统的幅相频率特性的特点，能够绘制系统的对数幅频特 性和对数相频特性，理解不同类型系统的对数幅频特性。 5)理解利用特征多项式的相角随频率变化的特点判断系统稳定的条件。 6)理解利用开环系统（稳定和不稳定）的幅相频率特性判断闭环系统的稳 定性的基本原理；理解开环系统的对数频率特性判定闭环系统稳定性的方法： 能够利用奈氏判据判定给定开环系统的幅相频率曲线（波德图）对应的闭环系 统的稳定性。 7)理解系统相位裕量和增益裕量的含义及计算方法。 8)理解波德第一定理（第二定理）的内容、特点及适应条件。 9)理解开环对数幅频特性斜率和相频之间的关系，理解不同频段斜率对相 位裕量的影响，放大系数及中频段的长度对相位裕量的影响。 10)能够理解系统暂态特性和开环频率特性间的关系（相位裕量和超调量 间的关系，相位裕量和调节时间之间的关系)。 11)能够理解对数幅频特性低频段的斜率大小和系统稳态性能间的约束关 系，理解中频段的穿越频率和系统暂态响应之间的约束关系。 12)能够根据开环频率特性确定系统的闭环颜率特性。 13)理解等幅值圆和等相角圆的意义，理解尼柯尔曲线的绘制方法，根据 尼柯尔曲线确定闭环系统的参量。 14)理解系统暂态特性和闭环频率特性的关系（谐振峰值和超调量间的关 系，谐振峰值和调节时间的关系、带宽和阻尼比的关系)
理解控制系统的频率特性对于工程实际问题分析和研究的优势（利用开环 特性判定闭环稳定性，通过测试方法快速理解系统的特性，从而为分析和研究 系统性能提供一种易于实现的方法）。在理解频率法的知识体系和原理的基础上， 能够利用幅相频率特性（伯德图）分析开（闭）环系统的频域性能指标（稳定 性、准确性和快速性），明确各种频域性能指标和时域性能指标之间的关系。 通过文献研究，对综合性自动控制问题（研讨项目）进行可行性论证、优 化决策、功能分解，方案设计等训练，初步具有团队协作，信息挖掘、交流观 点和撰写报告的能力。 1）正确理解频率特性的本质，理解幅相频率特性的两种表示方法，能理解 并解释奈氏图的意义。 2）能理解对数坐标的特点及优点，理解伯德图的组成及构成特点。 3）理解典型环节（比例、惯性、微分、积分、振荡、时滞和最小相位环节） 的幅频特性与对数频率特性。 4）根据不同类型系统的幅相频率特性的特点，能够绘制系统的对数幅频特 性和对数相频特性，理解不同类型系统的对数幅频特性。 5）理解利用特征多项式的相角随频率变化的特点判断系统稳定的条件。 6）理解利用开环系统（稳定和不稳定）的幅相频率特性判断闭环系统的稳 定性的基本原理；理解开环系统的对数频率特性判定闭环系统稳定性的方法； 能够利用奈氏判据判定给定开环系统的幅相频率曲线（波德图）对应的闭环系 统的稳定性。 7）理解系统相位裕量和增益裕量的含义及计算方法。 8）理解波德第一定理（第二定理）的内容、特点及适应条件。 9）理解开环对数幅频特性斜率和相频之间的关系，理解不同频段斜率对相 位裕量的影响，放大系数及中频段的长度对相位裕量的影响。 10）能够理解系统暂态特性和开环频率特性间的关系（相位裕量和超调量 间的关系，相位裕量和调节时间之间的关系）。 11）能够理解对数幅频特性低频段的斜率大小和系统稳态性能间的约束关 系，理解中频段的穿越频率和系统暂态响应之间的约束关系。 12）能够根据开环频率特性确定系统的闭环频率特性。 13）理解等幅值圆和等相角圆的意义，理解尼柯尔曲线的绘制方法，根据 尼柯尔曲线确定闭环系统的参量。 14）理解系统暂态特性和闭环频率特性的关系（谐振峰值和超调量间的关 系，谐振峰值和调节时间的关系、带宽和阻尼比的关系）