《自动控制实践(1)》课程教学大纲
一、课程基本信息
课程编号： AS32105
课程名称： 自动控制实践(1)
英文名称： Automatic Control Practice I
课程学时： 96 讲课学时：64 实验学时：32 上机学时： 0 习题学时： 0
课程学分：6.0
开课单位： 航天学院控制科学与工程系
授课对象： 自动化，探测制导与控制技术等专业本科生
开课学期：3秋
先修课程： 电路，模电，数电，计算机原理，自动控制原理，大学物理
二、课程目标
自动控制实践I是控制专业非常重要的专业核心课，隶属于自动控制实践核心课，是学习后续专业课，如导航制导与控制模块、控制理论与控制工程模块等系列课程的基础，在培养学生理解自动控制元件的原理及特性，增强控制系统分析、设计及综合能力等方面占有重要的地位。
本课程主要讲授四个部分内容：一是控制系统中的执行元件，包括直流电机、交流电机、特种电机、液压马达、伺服阀等；二是控制系统中的功率放大元件，包括线性功率放大器、PWM功率放大器等；三是控制系统中的测量元件，包括位移、速度、加速度、力和温度传感器等；四是控制系统中的控制元件，包括微控制器、工控机、PLC等。通过本课程的课堂教学、后续设计实践等环节，使学生较为深入地了解各种常用自动控制元件的基本工作原理、主要特性和元件与系统性能之间的关系，并着重培养学生们的控制系统元件选型能力、控制系统设计与实现能力，以及控制系统科学知识的应用能力，增加创新意识，支撑专业学习成果中相应指标点的达成。
课程目标对学生的能力要求如下：
课程目标1. 了解和掌握控制系统中执行元件、功率放大元件和测量元件的基本原理和主要结构，具备自动控制元件系统分析的知识基础，了解自动控制元件的理论基础、研究热点、发展趋势及前沿应用；
课程目标2. 了解和掌握控制系统中执行元件、功率放大元件和测量元件的运行特性和主要分析方法，能够根据控制系统的要求合理的选择自动控制元件，掌握自动控制元件的选型中存在的主要问题及解决方法，具备分析和解决工程实践中自动控制元件及系统问题的能力；
课程目标3. 熟悉和掌握常见自动控制元件及系统的基本实验技能和计算机仿真方法，得到实验方案设计和实验技能获得的基本训练，能够通过实验方案设计、实验方案实施以及计算机仿真的方法测试评价自动控制元件及系统的性能指标，逐步具有应用先进工具解决工程实际问题的能力；
三、课程目标与毕业要求对应关系
毕业要求 | 毕业要求具体描述 | 课程目标 |
1.工程知识 5.使用现代工具 | 1-1 能运用数学和自然科学对自动化系统进行机理建模或实验建模； 5-3 能够利用信息技术工具获取文献、公开的代码或数据库等资源，了解控制领域理论与技术的最新进展。 | 课程目标1 |
2.问题分析 3.设计/开发解决方案 | 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； 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； 3-4 能够结合具体工程对象及环境，对系统设计方案进行改进和优化，在设计环节中体现创新意识。 | 课程目标2 |
4.研究 5.使用现代工具 | 4-1 能基于科学原理并采用科学方法，设计适当的实验，对自动化相关领域中的系统进行模型辨识、参数或状态估计； 4-3 能够分析与解释实验或仿真结果，并为系统设计方案的改进及优化提供合理有效的建议； 5-2 能够运用现代软硬件开发、测试与分析工具对复杂系统进行分析、设计与实现。 | 课程目标3 |
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 | 绪论 | 1.了解控制系统的基本组成 2.了解控制元件在控制系统中的作用、基本要求与指标 3.了解计算机仿真与实际控制系统调试的区别 4.了解本课程的特点与学习方法 5.控制系统应用举例 | 2 | 讲授 | 课程目标1 |
2 | 基础知识 | 1.掌握控制系统所需基本电常识 2.掌握控制系统所需基本磁常识 | 2 | 讲授 | 课程目标1 |
3 | 直流电机的原理和基本结构 | 1.了解直流电机的工作原理 2.了解直流电机的基本结构 3.掌握直流电机中的磁场、电枢反应与换向 4.掌握直流电机的基本关系式 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
4 | 直流电机的特性与控制方法 | 1.掌握直流电机的静态特性 2.掌握直流电机的控制方法和调节特性 | 2 | 讲授 | 课程目标2 |
5 | 直流电机的动态特性与选择 | 1.掌握直流电机的工作状态 2.掌握直流电机的动态特性 3.了解直流伺服电机和直流力矩电机的特点与应用 4.掌握直流电动机的额定值与选择原理 | 2 | 讲授 | 课程目标2 |
6 | 功率放大器概述 | 1.了解功率放大器的类型与要求 2.了解线性功率放大器的特点与基本要求 3.掌握常用功率开关器件原理与特性 | 2 | 讲授 | 课程目标1 |
7 | 功率管的开关过程 | 1.了解功率管的开关过程 2.掌握开关器件的驱动和保护 3.掌握开关器件的发热与散热计算 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
8 | PWM功率放大器 | 1.了解PWM放大器的特点与基本要求 2.掌握PWM放大器的基本原理 3.掌握PWM调制原理 4.了解死区时间的意义 5.掌握脉宽调制器的典型电路 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
9 | 斩波电路 | 1.了解降压斩波电路的原理与输入输出关系 2.了解升压斩波电路的原理与输入输出关系 | 2 | 讲授 | 课程目标2 |
10 | PWM输出级工作原理 | 分别掌握双极性输出、单极性输出及有限单极性输出的PWM输出及工作原理 | 2 | 讲授 | 课程目标2 |
11 | 变压器 | 1.了解变压器的作用和结构 2.掌握变压器的理论基础 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
12 | 异步电动机的工作原理及旋转磁场 | 1.了解异步电动机的分类及应用 2.了解异步电动机的结构特点 3.了解异步电动机的工作原理 4.掌握交流绕组磁场分析方法 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
13 | 异步电动机的主要特性和调速方法 | 1.掌握异步电动机的主要特性 2.掌握三相异步电机机械特性 3.掌握三相异步电机调速原理与调速方法 | 2 | 讲授 | 课程目标2 |
14 | 单相异步电机及异步电机的应用 | 1.了解两相异步电机的特性，掌握两相异步电机的控制方法 2.了解单相异步电机的工作原理与控制方法 3.了解异步电机的应用 | 2 | 讲授 | 课程目标2 |
15 | 步进电机概述及磁阻式步进电机 | 1.了解步进电机特点以及分类 2.掌握磁阻式步进电机原理、静特性和动特性 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
16 | 永磁式步进电机和混合式步进电机 | 1.了解永磁式步进电机结构和工作原理 2.了解混合式步进电机结构和工作原理 3.了解步进电机的驱动及选择 | 2 | 讲授 | 课程目标2 |
17 | 小功率永磁同步电机 | 1.了解同步电机的构造与分类 2.分别掌握永磁式同步电动机、磁阻式同步电动机、磁滞式同步电动机及电磁减速式同步电动机的工作原理 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
18 | 永磁无刷电动机与永磁交流伺服电机 | 1.掌握永磁无刷电机结构与工作原理 2.了解永磁无刷电机驱动 3.掌握永磁交流伺服电机的工作原理 | 2 | 讲授 | 课程目标2 |
19 | 特种电机 | 了解直线电机、超声电机、压电陶瓷、光致伸缩执行器、磁致伸缩执行器的工作原理 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
20 | 其他执行器 | 了解液压马达、伺服阀、风机、泵类执行器的工作原理 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
21 | 测量元件概述 | 1.了解测量元件的概念、组成、作用及分类 2.掌握测量元件的静特性和动特性 | 2 | 讲授 | 课程目标1 |
22 | 旋转变压器与感应同步器 | 1.了解旋转变压器的结构 2.掌握旋转变压器的工作原理和补偿方法 3.掌握多级旋转变压器的工作原理及旋转变压器的应用 4.了解感应同步器的结构与工作原理 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
23 | 旋转变压器的信号处理 | 1.掌握旋转变压器的信号处理方式 2.掌握典型旋转变压器的信号处理电路 | 2 | 讲授 | 课程目标2 |
24 | 编码器与光栅 | 1.掌握增量码盘的结构与工作原理 2.掌握增量码盘的寻零方式 3.掌握绝对式码盘的结构与工作原理 4.掌握光栅的结构与工作原理 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
25 | 测速原理与电压、电流传感器 | 1.掌握三种测速原理及其各自特点 2.了解电压传感器的工作原理 3.了解电流传感器的工作原理 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
26 | 阻容感传感器和热电式传感器 | 了解电阻传感器、电容传感器、电感传感器、热电式传感器的工作原理与使用要求 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
27 | 航天用传感器 | 1.了解陀螺仪与加速度计的结构和工作原理 2.了解MEMS传感器、典型电路及应用 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
28 | 光纤传感器 | 1.了解光纤传感器的工作原理、特点及种类 2.掌握典型光纤传感器及应用 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
29 | 控制器概述与信号传输 | 1.了解控制器的概念、作用及分类 2.掌握控制器的特性与要求 3.掌握信号传输的方式 | 2 | 讲授 | 课程目标1 |
30 | 微控制器 | 1.了解微控制器的特点、分类 2.了解典型嵌入式应用 3.掌握典型微控制器工作原理与实现电路 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
31 | 工控机与PLC | 1.了解工控机系统组成 2.掌握工控机总线结构 3.了解实时操作系统 4.了解PLC与分布式控制系统 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
32 | 典型控制系统 | 1.掌握典型控制系统的结构 2.掌握典型控制系统的设计与实现 | 2 | 讲授 | 课程目标2 |
33 | 实验1：直流电机驱动电路设计 | 1.采用分离元件设计并实现PWM信号发生电路 2.采用所设计的信号发生电路驱动IGBT模块 3.设计带有电流闭环的驱动电路 4.掌握PWM驱动电路实验方法和数据处理方法 | 8 | 实验 | 课程目标3 |
34 | 实验2：直流电机特性测试 | 1.用自制的驱动电路驱动直流电动机组 2.设计实验条件使电机工作在不同状态，测试电机工作特性 3.比较在有无电流闭环条件下的电机特性区别 4.掌握直流电机的实验方法和数据处理方法 | 4 | 实验 | 课程目标3 |
35 | 实验3：旋变信号处理电路设计 | 1.设计旋转变压器的驱动及信号处理电路 2.采用旋转变压器实现角位置测量系统 3.测量旋转变压器驱动电路的关键波形 4.掌握旋转变压器实验方法和数据处理方法 | 8 | 实验 | 课程目标3 |
36 | 实验4：光电编码器信号处理电路设计 | 1.设计光电编码器接口电路及计数电路 2.掌握光电编码器角度信息的采集实验方法与数据处理方法 | 2 | 实验 | 课程目标3 |
37 | 实验5：直流电机控制系统设计 | 1.设计控制器与功率放大元件和测量元件的接口电路 2.设计直流电机的闭环反馈控制系统 3.测量直流电机的控制特性 4.掌握直流电机控制系统实验方法和数据处理方法 | 10 | 实验 | 课程目标3 |
五、课程教学方法
1. 课堂授课
1.1 采用启发式教学，通过提问和互动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。例如交直流电机的工作原理，步进电机的应用，旋转变压器的补偿方法等。
1.2采用多媒体与板书结合的授课方式，即注重关键知识点的详细讲授，又通过多媒体拓展相关知识在工程实践方面的应用。
1.3 采用案例教学方式，通过一些实际问题的分析使同学们掌握理论与工程实践相结合的能力，学会应用自然科学和工程科学的基本原理，进行机理研究、仿真分析、实验验证等，进而培养同学们分析和解决本领域相关工程问题的思维方法和实践能力。例如直流电机的调速方法及应用，交流电机的调速方法及应用，电流负反馈在驱动电路中的作用等。
1.4 采用互动式教学，增加师生之间的面对面交流，提高学习兴趣与学习效果，开拓学生们思维的同时，激发他们的创新意识。
1.5 采用反转式教学，在讲授一些简单、零散知识点时，让学生课前做好准备资料，课堂上由部分学生自主讲授知识点，并让其他学生提问讨论，启发学生积极思维，激发学生的求知欲。
2、实践教学
实践教学是自动控制实践I的重要组成部分之一，将课堂讲授的理论知识与工程实际连接起来形成一个有机的整体，目的是通过实践环节培养学生们运用实验方法研究解决控制类复杂工程问题的能力，并同时增强学生的动手能力。课程设置了5个实践环节，包括直流电机驱动、直流电机特性、旋变信号采集与处理，光电编码器信号采集与处理，直流电机控制系统，5个实践环节相辅相成、由浅入深、逐渐构成一个控制系统整体。最后，按照实验指导书要求完成各实验报告并提交。
3、作业
作业以思考题为主，以讲授课程内容为背景，以现实生活中的实际例子为出发点，给学生提出课后思考题，使学生加深对学习内容的理解，并使学生认识到所学内容在实际中的应用。
4、网络平台
充分发挥互联网平台对教学的辅助作用，建立微信公众号，方便学生掌握课程进度。通过公众号获得课前的思考题，引导学生初步了解下次课的授课内容；通过公众号获得已学习的课件，利于巩固所学知识点；通过公众号获得课外思考题，培养学生的创新思维，拓宽再学习能力。建立网络讨论群，方便学生的交流与讨论。
六、课程考核方法
课程考核以检验课程目标的达成度为手段，进而评价学生学习成果的达成度。考核的环节包括课后平时作业及考核、实验和期末考试，总成绩以百分计，满分100分，各考核环节所占分值比例及考核细则如下表。
考核环节 | 所占分值 | 考核与评价细则 | 对应课程目标 |
平时和作业 | 10 | （1）考核学生们平时上课的表现，对提问的回答等； （2）作业交2次，单独评分； （3）以上两项最后合计，给出成绩。 | 课程目标2 |
实验 | 40 | （1）按要求完成4个实验环节； （2）上交实验报告，由实验指导教师根据实验环节的完成情况和实验报告给出成绩。 | 课程目标3 |
期末考试 | 50 | （1）卷面成绩100分，以卷面成绩按比例折算成实际得分； （2）考试命题以大纲中的应知应会内容为主，题型有填空、选择、简答、辨析、计算、综合等，并保证逐年有所变化。 | 课程目标1 |
七、主要教材与参考书
1.梅晓榕,柏桂珍,张卯瑞.自动控制元件及线路（第五版）.科学出版社. 2013
2.顾绳谷.电机及拖动基础（第四版）.机械工业出版社. 2007
3.池海红,单蔓红,王显峰.自动控制元件（第二版）.清华大学出版社. 2015
4.王兆安,刘进军.电力电子技术.机械工业出版社. 2009
大纲撰写人： 马广程、解伟男、伊国兴 大纲审核人： 张卯瑞、赵辉
