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华侨大学本科课程教学大纲
 

《控制工程基础》教学大纲

适用专业 测控技术与仪器(学分:3 学时:60-70)

一、课程的性质和任务

控制工程基础课程主要阐述的是有关自动控制技术的基础理论,本课程是为机械、仪器类及其它非电类专业本科生开设的一门重要的必修的技术基础课,它涉及古典控制理论的主要内容及应用。主要的教学任务是:

1 主要讲述系统自动控制的一般原理,使学生掌握对控制系统控制的基本原理及基本构成方法。

2 通过本课程的学习应使学生初步掌握控制系统的基本分析方法,能够分析控制系统的稳定性、准确性和快速性。

3 通过学习应使学生了解控制系统的工程计算及主要的设计方法,能够计算出控制系统的性能指标,能用频率法对系统进行校正。

4 学完本课程后,应使学生初步学会用MATLAB软件进行控制系统的计算机辅助分析和设计。

二、课程的教学内容

(注:*不作考试要求)

第一章 绪论

§1-1 自动化、系统与控制理论

1 自动化、自动控制

2 控制系统的组成

3 控制理论发展的三个阶段:经典控制理论、现代控制理论、智能控制

§1-2 自动控制系统的基本概念

1 自动控制系统工作原理

2 开环控制与闭环控制

3 反馈控制系统的基本组成

4 自动控制系统的基本类型

5 对控制系统的基本要求:稳、准、快

第二章 控制系统的动态数学模型

§2-1 拉氏变换及其反变换

1 拉氏变换及其性质、定理(只做简要回顾)

2 拉氏反变换,用部分分式展开法求拉氏反变换

§2-2 数学模型的分析建模方法

1 传递函数的概念

2 微分方程法求传递函数

3 阻抗变换法求传递函数

§2 3 方框图运算方法

1 方框图的概念

2 绘制实际物理系统的方框图

3 方框图的基本运算

4 方框图的等效变换和简化

§2-4 *信号流图及梅逊公式

1 信号流图的概念

2 梅逊公式

第三章 系统品质分析

§3-1 稳定性分析

1 稳定性的基本概念

2 系统稳定的充要条件

3 稳定性的代数判据(主要讲Routh判据,并简要介绍Hurwitz判据)

§3-2 系统的稳态误差分析

1 稳态误差的基本概念

2 随动系统与定值系统的稳态误差

3 由开环传递函数求单位负反馈系统的稳态误差

4 改善系统稳态精度的方法

§3-3 系统时域响应及其时域响应品质分析

1 一阶系统的瞬态响应

2 二阶系统的瞬态响应(主要讲解二阶系统在欠阻尼情况下的单位阶跃响应)

4 *高阶系统的瞬态响应

§3-4 *综合性能指标

第四章 频率特性分析法

§4-1 频率特性的概念

1 频率特性的描述

2 幅频特性与相频特性

3 对数幅频特性与对数相频特性,即伯德图

4 极坐标图——奈魁斯特图

§4-2 开环频率特性

1 最小相位系统

2 开环传递函数的BODE图合成与分解

3 开环传递函数的奈魁斯特图

§4-3 奈魁斯特稳定性判据

1 米哈伊洛夫定理

2 开环与闭环奈魁斯特图的关系

3 奈魁斯特稳定性判据

§4-4 对数幅相频率特性的稳定性判据

1 对数幅相频率特性的稳定性判据的原理

2 对数幅相频率特性的稳定性判据

§4-5 控制系统的相对稳定性

1 稳定裕度的概念

2 稳定裕度和闭环时域指标的关系

§4-6 控制系统的闭环频响

1 由开环频率特性估计闭环频率特性

2 系统的频域指标

3 频域指标与时域指标的关系

第五章 频率特性校正与系统设计

§5-1 开环系统稳定裕度校正方法

1 比例校正

2 超前校正

3 滞后校正

4 滞后-超前校正

5 PID调节器

§5-2 在对数幅相特性图上校正的方法

1 典型系统的希望对数幅相频率特性

2 希望对数幅相频率特性与系统性能指标的关系

3 用希望对数幅相频率特性进行校正装置的设计

§5-3 控制系统设计举例

附录 控制系统的计算机辅助分析与设计

§附录-1 MATLAB介绍

§附录-2 控制系统的计算机辅助分析

1 系统模型的输入

2 应用MATLAB绘制出脉冲响应图、阶跃响应图及求系统的性能指标

3 应用MATLAB绘制出伯德图、奈魁斯特图及进行系统的相对稳定性分析

§附录-3 控制系统的计算机辅助设计

1 基于MATLAB的超前校正器的计算机辅助设计

2 基于MATLAB的滞后校正器的计算机辅助设计

3 基于MATLAB的滞后-超前校正器的计算机辅助设计

实验内容:

1 典型环节的模拟及其阶跃响应

2 系统频率特性的测试

3 系统的串联校正

4 时域响应、频率特性的计算机辅助分析

5 计算机辅助设计校正环节

必做实验3个,可在上面所列题目中任选,有条件的地方可适当增加一些实践环节。

三、课程的教学要求

1 总体要求:

要求学生掌握自动控制中反馈的概念,能够熟练地从具体物理系统中抽象出它的数学模型

(描述方法以传递函数为主),掌握方框图的变换及化简方法,能够绘制出伯德图、奈魁斯特

图,能够熟练地对控制系统进行稳定性分析、准确性分析、快速性分析,掌握用频率法对控

制系统进行校正,初步了解用MATLAB对控制系统进行计算机辅助分析和设计。

2 部分要求:

第一章 要求学生了解控制系统的基本概念,开环控制与闭环控制的区别;闭环控制系统的

基本原理和组成环节。

第二章 要求学生掌握拉普拉斯变换及其反变换,对于线型定常系统,能够熟练用微分方程

法和阻抗变换法求其传递函数,掌握方框图的变换及化简方法,了解信号流图和梅逊公式。

第三章 要求学生掌握用劳斯判据判断系统的稳定性,了解误差的概念,着重掌握稳态误差的

计算方法,学会减少或消除稳态误差,要求学生熟练掌握一阶系统及二阶系统的单位阶跃响

应,着重掌握二阶系统在欠阻尼情况下的单位阶跃响应,一阶系统及二阶系统对于其他输入

信号的瞬态响应只要求一般的了解,理解性能指标的概念,并能计算出性能指标。

第四章 要求学生掌握频率特性的概念,熟悉典型环节的Nyquist图和Bode图,能够由已知

的系统传递函数画出Nyquist图和Bode图,也能够根据系统的频率特性曲线求出系统的传递

函数,熟练运用奈魁斯特稳定性判据判断系统的稳定性,会计算系统的稳定裕度,了解系统

的闭环频率响应。

第五章 要求学生利用伯德图去分析和综合控制系统,会用频率法去设计超前校正器、滞后

校正器、滞后-超前校正器、PID调节器,学会希望伯德图的确定方法和超前校正器、滞后校

正器、滞后-超前校正器、PID调节器的作用,学会根据希望对数频率特性和系统固有环节对

数频率特性确定串联校正装置。

附录 要求学生了解MATLAB,初步会用MATLAB绘制出阶跃响应图、伯德图、奈魁斯特图等,

初步会用MATLAB求解系统的性能指标,初步运用MATLAB进行控制系统的计算机辅助设计。

四、课程的重点和难点

第一章重点:自动控制的概念,控制系统的组成,反馈的概念,闭环控制,自动控制系统

的基本类型。

无难点。

第二章重点:拉普拉斯反变换,传递函数的概念,微分方程法求传递函数,阻抗变换法求

传递函数,方框图的等效变换和化简。

难点:部分分式展开法求拉普拉斯反变换,绘制实际物理系统的方框图。

第三章重点:Routh判据,由开环传递函数求单位负反馈系统的稳态误差,二阶系统在欠

阻尼情况下的单位阶跃响应,性能指标的概念及计算。

难点:特殊情况(劳斯阵列表中任意一行的第一个元素为零,劳斯阵列表中某一行

的元素全部为零)下的Routh判据,O型、Ⅰ型和Ⅱ型系统在各种输入量作用下的稳态误差,

性能指标与系统结构参数的关系。

第四章重点:频率特性的概念,典型环节的Nyquist图和Bode图,最小相位系统,由已知

的系统传递函数画出Nyquist图和Bode图,根据系统的频率特性曲线求出系统的传递函数,

奈魁斯特稳定性判据,系统的稳定裕度的概念及求解。

难点:最小相位系统的Nyquist图和Bode图图的规律,幅角定理,开环频率特性与

闭环特征函数的频特性的关系,奈魁斯特稳定性判据中零极点的处理。

第五章重点:超前校正,滞后校正,希望伯德图的确定方法,根据希望对数频率特性和系

统固有环节对数频率特性确定串联校正装置。

难点:基于频率法设计超前校正器、滞后校正器、滞后-超前校正器,希望对数幅

频特性的确定。

附录重点:用MATLAB绘制出阶跃响应图、伯德图、奈魁斯特图等,基于频率法用MATLAB设

计校正器。

难点:基于频率法用MATLAB设计超前校正器、滞后校正器、滞后-超前校正器。

五、课程的学时分配

      略

六、教材和主要参考书

教材:王永初,陈庄金,李钟慎 《现代控制工程设计基础》 暨南大学出版社 1997

主要参考书:

1 董景新,赵长德 《控制工程基础》 清华大学出版社 1992

2 邹伯敏 《自动控制理论》 机械工业出版社 1999

3 吴 麒主编 《自动控制原理》 清华大学出版社 1990

4 薛定宇 《反馈控制系统设计与分析——MATLAB语言应用》 清华大学出版社 2000

七、说明

本课程要求学生应先修过以下课程:电工电子技术、高等数学、线性代数、复变函数等。


 

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