《自动控制理论（1）》核心课程教学大纲
一、课程基本信息
课程编号： AS32104
课程名称： 自动控制理论(1)
英文名称：Theory of Automatic Control
课程学时：112 讲课学时：70 实验学时：20 上机学时：16 习题学时：6
课程学分：7.0
开课单位：航天学院控制科学与工程学科
授课对象：自动化专业、探测制导与控制专业大三本科生
开课学期：3秋
先修课程：高等数学、复变函数、线性代数、电路、数字电子技术、模拟电子技术、大学物理、理论力学
二、课程目标
自动控制理论是控制类专业非常重要的一门核心课程。这门课主要讲解自动控制理论的基本原理、自动控制系统的分析方法与设计方法。
本课程的主要任务是培养学生掌握建立控制系统数学模型的方法，掌握分析与综合控制系统的几种方法：时域法、根轨迹法、频率法、状态空间法。掌握线性控制系统、非线性控制系统、连续系统、离散系统的分析和综合方法。
课程目标对学生的能力要求如下：
课程目标1.使学生懂得如何从科学与工程问题中提炼系统的概念、反馈的概念，形成闭环思维；
课程目标2.引导学生学习如何从机理或实验出发建立复杂工程问题或对象的数学模型；
课程目标 3.能运用本课程的所学知识对自然科学和工程问题中的系统进行性能分析和描述；
课程目标4.能运用本课程的所学知识对自然科学和工程问题中的系统进行综合设计及优化。
三、课程目标与毕业要求指标点对应关系
毕业要求 | 毕业要求指标点 | 课程目标 |
1. 工程知识 | 1-1 能运用数学和自然科学对自动化领域复杂工程问题中的系统进行机理或实验建模 1-2 能运用数学和专业知识对复杂工程问题中的系统进行分析、设计和优化 | 课程目标1 课程目标2 |
2. 问题分析 | 2-1 能应用数学和自然科学基本原理，对自动化领域的复杂工程问题进行建模，并能检验模型的合理性 2-2 能从系统的角度识别和表达自动化领域的复杂工程问题中的需求、制约和冲突因素 | 课程目标3 |
3. 设计/开发解决方案 | 3-1 能够根据指标需求及约束因素，确定系统的总体设计方案 3-2 能够把对系统的总体性能指标或功能要求分解到各个单元，为器件选型提供依据 | 课程目标4 |
9.个人和团队 | 9-1 能胜任团队成员的角色和责任，完成团队分配的工作 9-2 能与团队其他角色或学科的成员进行有效的沟通、协作和信息共享 9-3 能够组织团队成员开展工作，发挥团队中每个角色的作用 9-4 能够通过协调和听取反馈，综合自己和团队其他成员的意见，进行合理决策 | 课程目标1 |
四、课程目标与课程内容对应关系
序号 | 教学内容 | 教学要求 | 学时 | 教学方式 | 对应课程 目标 |
1 | 一、绪论（2学时讲授） 1.自动控制的概念 2.控制系统的基本结构和组成 3.对控制系统的基本要求 | 了解自动控制的基本概念、自动控制理论核心课程的基本内容 | 2 | 讲授 | 课程目标1 |
2 | 二、线性控制系统的数学模型（18学时讲授+2学时习题课） 1.控制系统的微分方程模型（2学时） 2.控制系统的传递函数模型（2学时） （1）拉氏变换的概念及性质 （2）传递函数的概念 （3）典型环节的传递函数 3.控制系统的方框图及信号流图（4学时） （1）方框图的变换与化简（1学时讲授+1学时习题课） （2）信号流图的计算——梅森公式（1学时讲授+1学时习题课） 4.线性系统的频率特性（4学时） （1）频率特性的定义 （2）频率特性的几种图形表示（包括Nyquist图和Bode图的画法） （3）典型环节的频率特性 | 掌握经典控制理论中所涉及的连续系统的数学建模方法 | 12 | 讲授 | 课程目标2 |
实验1 | 对象频率特性的测试 | 从物理角度深入理解频率特性的含义 | 4 | 分组实验 | 课程目标1 |
3 | 5.控制系统的状态空间模型（4学时） （1）状态空间表达式的概念 （2）线性系统的实现问题 （3）状态空间表达式的线性变换、约当标准型 | 掌握现代控制理论中所涉及的连续系统的数学建模方法 | 4 | 讲授 | 课程目标2 |
4 | 6.线性离散系统的数学模型（4学时） （1学时） 【（1）离散系统的基本结构 （2）采样与信号重构 （3）控制系统的差分方程模型】 （1学时） 【（4）Z变换的概念及性质 （5）脉冲传递函数（Z传递函数）的概念】 （6）离散状态空间表达式的概念（2学时） | 掌握线性离散系统的数学建模方法 | 4 | 讲授 | 课程目标2 |
实验2 | 控制系统的数学建模 | 对控制系统的组成和结构形成直观的概念 | 4 | 分组实验 | 课程目标1 |
5 | 三、控制系统的分析（14学时讲授） 1.基于传递函数的时域分析（10学时） （1）一阶系统的时域分析（2学时） （2）二阶系统的时域分析及时域性能指标（4学时） （3）高阶系统的时域分析（2学时） （4）线性离散系统的时域分析（2学时） | 掌握基于传递函数模型的线性系统时域分析方法，掌握标准二阶系统时域性能指标的计算 | 10 | 讲授 | 课程目标3 |
上机1 | 二阶系统的时域分析 | 通过计算机仿真深刻理解二阶系统的各个性能指标的含义 | 4 | 上机 | 课程目标3 |
6 | 2.基于状态方程的时域分析（4学时） （1）连续系统的情形 ①状态转移矩阵的概念、性质及计算 ②状态响应分析 （2）离散系统的情形 ①离散状态转移矩阵的概念、性质及计算 ②离散状态响应分析 | 掌握基于状态空间模型的线性系统时域分析方法，重点掌握状态转移矩阵的概念及计算方法 | 4 | 讲授 | 课程目标3 |
实验3 | 控制系统的时域分析 | 通过实验手段深刻理解二阶系统的各个性能指标的含义 | 4 | 分组实验 | 课程目标3 |
7 | 四、控制系统的稳定性及稳态误差（20学时讲授+4学时习题） 1.稳定性（2学时） （1）稳定性的定义（包括连续系统和离散系统情形） （2）李雅普诺夫意义下的稳定性 | 理解控制系统稳定性的定义，掌握李雅普诺夫意义下的稳定性概念 | 2 | 讲授 | 课程目标3 |
8 | 2.基于传递函数的稳定性分析（2学时） （1）连续系统的劳斯判据 （2）离散系统劳斯判据和舒尔科恩判据 | 掌握基于传递函数的系统稳定性判据及其应用 | 2 | 讲授 | 课程目标3 |
9 | 3. Nyquist稳定判据（4学时） （1）基于Nyquist图的Nyquist判据 （2）基于Bode图的Nyquist判据 | 掌握基于开环频率特性的系统稳定性判据及其应用 | 4 | 讲授 | 课程目标3 |
10 | 4.基于状态空间表达式的稳定性分析（4学时） （1）李雅谱诺夫第一法 （2）李雅普诺夫第二法 （3）李雅普诺夫第二法在线性系统稳定性分析中的应用 ①连续系统情形 ②离散系统情形 | 掌握李雅谱诺夫第一法和第二法——基于状态空间描述的的系统稳定性判据及其应用 | 4 | 讲授 | 课程目标3 |
11 | 5.基于根轨迹法的稳定性分析（2学时讲授+2学时习题课） （1）线性系统的根轨迹 （2）根轨迹的画法 （3）基于根轨迹法的稳定性分析及过渡过程分析 （4）习题课（2学时） | 理解根轨迹的概念，掌握根轨迹的作图方法，学会运用根轨迹分析控制系统的稳定性及动态品质 | 4 | 讲授 | 课程目标3 |
12 | 6.控制系统的稳态误差分析（6学时讲授+2学时习题课） （1）基于传递函数的系统稳态误差分析（2学时） （2）基于脉冲传递函数的系统稳态误差分析（2学时） （3）减小稳态误差的方法（2学时） （4）习题课（2学时） | 掌握控制系统稳态误差的计算方法以及减小或消除稳态误差的方法 | 8 | 讲授 | 课程目标3 |
上机2 | 控制系统的稳定性分析 | 通过计算机仿真深刻理解系统稳定性分析的方法 | 4 | 上机 | 课程目标3 |
13 | 五、线性控制系统的设计与综合（16学时讲授） 1.控制系统设计初步（4学时） （1）控制系统的设计准则 （2）控制系统的动态性能指标 ①控制系统的稳定裕度 a.相位裕度 b.幅值裕度 ②频域性能指标 a.开环频域性能指标 b.闭环频域性能指标 ③时域指标与频域指标的关系 | 掌握控制系统设计的预备知识，掌握设计所需的性能指标 | 4 | 讲授 | 课程目标4 |
14 | 2. PID控制系统设计（4学时） （包括连续系统和离散系统的情形） | 掌握线性连续系统PID控制的设计方法 | 4 | 讲授 | 课程目标4 |
上机3 | 数字PID控制系统设计 | 通过计算机仿真深刻理解数字PID控制系统的设计方法 | 8 | 上机 | 课程目标4 |
15 | 3.基于频率响应法的系统综合（8学时） （1）基于频率法的串联超前校正（2学时） （2）基于频率法的串联迟后校正（2学时） （3）基于频率法的串联迟后-超前校正（2学时） （4）希望频率特性法（2学时） | 掌握基于频率响应法的系统综合方法 | 10 | 讲授 | 课程目标4 |
实验4 | 控制系统设计之一（连续系统） | 通过实验手段深刻理解系统设计的各种方法 | 4 | 分组实验 | 课程目标4 |
实验5 | 控制系统设计之二（连续系统） | 通过实验手段深刻理解系统设计的各种方法 | 4 | 分组实验 | 课程目标4 |
五、课程教学方法
1、课堂讲授
1.1 采用启发式教学，激发学生主动学习的兴趣，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，引导学生主动通过实践和自学获得自己想学到的知识。
1.2 采用电子教案、课件，多媒体教学与传统板书、教具教学相结合，提高课堂教学信息量，增强教学的直观性。
1.3 采用案例教学：理论教学与工程实践相结合，引导学生应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，采用现代设计方法和手段，进行系统分析、综合与仿真，培养其识别、表达和解决自动化类专业相关工程问题的思维方法和实践能力。
1.4 采用互动式教学：课内讨论和课外答疑相结合，每周至少一次进行答疑。
2、上机教学
自动控制理论上机教学是自动控制理论核心课程中的一个重要环节，目的是培养学生运用计算机仿真的方法加深对课程内容的理解。课程必做上机题目4个，各题目按照上机指导书的要求学生独立或分组完成，并提交上机总结报告。
上机项目明细表（16学时）
序号 | 上机项目名称 | 学时 | 上机类型 | 每组人数 |
1 | 二阶系统的时域分析 | 4 | 分析 | 1 |
2 | 控制系统的稳定性分析 | 4 | 分析 | 1 |
3 | 数字PID控制系统设计 | 8 | 综合 | 1 |
3、实验教学
自动控制理论实验教学是自动控制理论核心课程中重要的实践环节，目的是培养学生运用实验方法研究解决实际工程问题的能力。课程必做实验8个，各实验按照实验指导书的要求学生独立或分组完成，并提交实验报告。
实验项目明细表（20学时）
序号 | 实验项目名称 | 学时 | 实验类型 | 每组人数 |
1 | 对象频率特性的测试 | 4 | 建模 | 2 |
2 | 控制系统的数学建模 | 4 | 建模 | 2 |
3 | 控制系统的时域分析 | 4 | 分析 | 2 |
4 | 控制系统设计之一（连续系统） | 4 | 综合 | 1 |
5 | 控制系统设计之二（连续系统） | 4 | 综合 | 1 |
六、课程考核方法
考核环节 | 所占分值 | 考核与评价细则 | 对应课程目标 |
作业 | 10 | （1）主要考核学生对每章节知识点的复习、理解和掌握程度； （2）每次作业按10分制单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。 | 课程目标1 |
上机 | 10 | （1）根据每个上机的情况和上机报告质量单独评分，满分10 分； （2）取各次上机成绩的平均值作为此环节的最终成绩。 | 课程目标3 |
实验 | 10 | （1）根据每个实验的实验情况和实验报告质量单独评分，满分10 分； （2）取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。 | 课程目标4 |
阶段考试 | 20 | （1）结合教学进度安排阶段考试，考查学生对相关知识的掌握程度； （2）阶段考试成绩以百分计，乘以其在总评成绩中所占的比例计入总评成绩。 | 课程目标2 |
期末考试 | 50 | 卷面成绩100 分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。 | 课程目标4 |
七、主要教材与参考书
【1】裴润，宋申民，自动控制原理（上册），哈尔滨工业大学出版社，2005年
【2】胡寿松，自动控制原理（第五版），科学出版社，2007年
【3】吴麒，王诗宓，自动控制原理（上册）第二版，清华大学出版社，2006年
【4】刘豹，唐万生，现代控制理论，机械工业出版社，2006年
【5】张嗣灜，高立群，现代控制理论（第二版），清华大学出版社，2017年
【6】董宁，计算机控制系统，电子工业出版社，2017年
【7】张燕红，计算机控制技术（第二版），东南大学出版社，2014年
【8】王广雄，何朕，控制系统设计，清华大学出版社，2008年
【9】徐丽娜，数字控制——建模与分析、设计与实现，科学出版社，2006年
大纲撰写人：史小平 大纲审核人：何朕
