spContent=本课程是电气工程及自动化专业一门重要的技术基础课,涵盖了古典控制的主要内容。围绕控制系统稳定性、动态特性和稳态特性,从时域和频域的角度讲授控制系统分析和综合的基本原理和方法。主要内容包括:反馈的基本概念、控制系统的数学模型、控制系统的时域分析方法、根轨迹法、频率特性法等。
本课程是电气工程及自动化专业一门重要的技术基础课,涵盖了古典控制的主要内容。围绕控制系统稳定性、动态特性和稳态特性,从时域和频域的角度讲授控制系统分析和综合的基本原理和方法。主要内容包括:反馈的基本概念、控制系统的数学模型、控制系统的时域分析方法、根轨迹法、频率特性法等。
—— 课程团队
课程概述
自动控制在当今的各个应用领域几乎无处不在,自动化技术是衡量科技发展水平的一个重要标志。自动控制理论从工程实际中产生,借助于数学工具对控制系统进行分析和设计,以期使之按预定的规律运行。它是沟通实际工程与数学、物理等基础理论的桥梁,是认识和改造客观对象的有力工具。
自动控制理论是自动化技术的基础理论,它是研究应用于不同被控系统的普遍性的控制规律的科学,具有丰富的辩证思想和科学方法论的内涵。它以反馈为手段,通过修正对系统过程产生作用的控制行为来达到预期的控制目的。古典控制理论主要采用传递函数来描述系统的数学模型,通过对系统的输入-输出的时域和频率响应的特性来研究单输入-单输出的线性定常系统的分析和设计问题。古典控制理论是控制理论的基石,它直观地把控制系统的主要性能特征与系统的控制规律和参量的关系揭示出来,在当今实际应用中仍占用重要的地位。
本课程对自动控制理论的基础内容加以提炼,去粗取精。对基本原理和方法做比较详尽的介绍,强调控制系统分析和设计方法与系统的结构、参数和性能之间的联系,加深对控制方法本质规律的认识。它将引领学生逐步培养系统的思维方法,为从事科学研究和工程实践打下基础。
授课目标
通过本课程的学习,应能够深入理解古典反馈控制基本思想和理论体系,掌握控制系统分析和设计所必需的基本概念、原理和方法,初步培养系统和辩证的科学思维方法,为解决实际的工程问题打下基础。具体目标如下:
1. 理解和掌握基于传递函数和方框图的系统模型描述方法;系统的时域和频域响应的求取和系统的稳定性、稳态特性、动态特性的分析方法;系统的校正设计方法。
2. 理解所学的各种原理和方法的本质以及它们之间的联系,学会采用不同的方法分析和设计系统,达到对控制对象、控制规律和控制性能之间的关系较为深入的认识。
3. 初步领会从理论到实际,从具体到抽象,从分析到综合的认识和解决控制问题的科学方法。
成绩 要求
成绩以百分计,总分=单元测验(60%)+期末考试(占40%)
60~79分:合格
80~100分:优秀
认证证书需向平台付费申请
课程大纲
自动控制理论概述
课时目标:了解人工控制和自动控制的相似性。了解自动控制在现代科技领域的地位,以及对生产力提高的重要作用。理解反馈、自动控制系统的概念。理解控制系统的组成和分类。掌握对控制系统的基本要求。明确自动控制理论课程的特点和学习方法。
1.1 人工控制和自动控制
1.2 开环控制和闭环控制
1.3 控制系统的组成和分类
1.4 自动控制理论概要
线性系统的数学模型
课时目标:掌握建立控制系统数学模型的原理和方法。理解和掌握传递函数的概念、性质和作用。掌握典型环节的传递函数和特性。掌握建立系统方框图的方法以及方框图化简的原则和方法。掌握用梅逊公式得到系统传递函数的方法。
2.1 控制系统的数学模型概述
2.2 脉冲响应法建模
2.3 线性系统的传递函数描述
2.4 典型环节的传递函数
2.5 方框图的建立
2.6 方框图的化简
2.7 信号流图和梅逊公式
控制系统的时域分析
课时目标:理解控制系统时域响应的组成,并掌握用拉氏变换方法求取时域响应。掌握一阶、二阶系统的脉冲、阶跃和斜坡响应。掌握系统的性能指标以及一阶、二阶系统的性能指标计算。理解系统参数、极点和动态性能指标的关系。理解开环和闭环的零极点对系统动态性能的影响。理解稳定性的概念、条件和判别方法。掌握系统稳态误差的计算方法,以及减小系统稳态误差的措施。
3.1 控制系统的时域响应
3.2 一阶系统的响应及系统的性能指标
3.3 二阶系统的响应
3.4 二阶系统的性能指标
3.5 二阶系统的性能分析
3.6 控制系统的稳态性能
3.7 稳态误差计算及减小的方法
3.8 控制系统的稳定性
3.9 劳斯稳定判据
根轨迹法
课时目标:理解根轨迹在系统分析和设计中的作用。掌握根轨迹的基本条件和绘制的基本规则。掌握常规根轨迹的绘制方法。了解多回路根轨迹和广义根轨迹的绘制方法。理解和掌握用根轨迹分析系统性能的方法。
4.1 根轨迹法的基本概念
4.2 根轨迹的性质和基本规则
4.3 根轨迹的绘制
4.4 广义根轨迹
4.5 利用根轨迹分析系统性能
线性系统的频率分析
课时目标:理解控制系统频率响应、频率特性的概念和对于系统分析的作用。掌握典型环节的频率特性。熟练掌握系统开环频率的绘制方法。理解奈奎斯特判据的原理和方法,并掌握用奈氏判据分析系统的稳定性和相对稳定性。掌握用频率特性分析系统稳态和暂态特性的原理和方法。理解和掌握开环和闭环频率特性指标的意义和计算方法。
5.1 频率特性的概念
5.2 频率特性表示方法
5.3 典型环节的频率特性(1)
5.4 典型环节的频率特性(2)
5.5 系统的开环频率特性(1)
5.6 系统的开环频率特性(2)
5.7 奈奎斯特稳定判据
5.8 奈奎斯特判据的应用
5.9 含虚轴极点的奈奎斯特判据
5.10 利用频率特性分析系统的性能
5.11 系统动态性能的开环频率特性指标
5.12 闭环频率特性指标
线性系统的校正
课时目标:理解控制系统校正的作用和目的。理解PID校正的原理。掌握系统常用的校正装置的特性。深入理解和掌握系统串联超前校正、滞后校正和滞后-超前校正的原理和方法。能够综合运用时域根轨迹和频率法校正方法。理解反馈校正和期望特性校正的原理和方法。
6.1 线性系统校正的概念
6.2 常用的校正装置及特性
6.3 串联超前校正
6.4 串联滞后校正
6.5 串联滞后-超前校正
6.6 期望频率特性校正
6.7 反馈校正法
6.8 反馈和前馈复合控制
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预备知识
参考资料
主要参考教材
1. 夏德钤, 翁贻芳. 自动控制理论(第四版). “十二五”普通高等教育本科国家级规划教材,机械工业出版社, 2012
2. 胡寿松. 自动控制原理(第六版). 科学出版社, 2016
3. Richard C .Dorf, Robert. H. Bishop. 现代控制系统(第十二版).电子工业出版社,2015 6.
常见问题
1. 学会使用Matlab进行控制系统的分析和设计仿真,有助于加深对所学理论的理解,以达到更好的学习效果。
2. 要注重对基本概念的理解和方法的综合运用,切忌为了做题将方法生搬硬套。
3. 运用科学的思维方法,理论联系实际,从不同的角度理解控制系统问题。
4. 克服畏难心理,实际上对数学基础的要求并不高,使用的都是基本微积分、复变函数和拉氏变换和复数运算等一些基本的数学工具,熟练掌握这些数学工具也有助于对问题的分析和理解。