自動控制理論課程設計課程教學大綱

《自動控制理論課程設計》課程編號：100063248課程名稱：自動控制理論課程設計英文名稱：AutomaticControlTheoryProject課程性質(zhì)：必修課程總學分：1總學時：32；開課學年及學期：第4學期先修課程：自動控制理論Ⅰ，Matlab在自動化工程中的應用，模擬電子技術一、課程內(nèi)容簡介自動控制理論課程設計包括基于MATLAB/SIMULINK的控制系統(tǒng)仿真實驗和基于典型被控對象直流電機和旋轉倒立擺的半實物仿真控制系統(tǒng)設計兩部分。針對控制系統(tǒng)的組成、控制理論的概念設計任務書，以項目為牽引，引導學生完成直流電機和旋轉倒立擺兩個典型被控對象的時域法、頻域法和狀態(tài)空間方法的控制系統(tǒng)設計，通過建模-仿真-實驗，達到對直流電機和旋轉倒立擺不同狀態(tài)控制的任務書要求。通過自動控制理論課程設計，使學生能夠熟練掌握控制系統(tǒng)設計的方法，培養(yǎng)學生針對復雜被控對象進行控制系統(tǒng)和控制算法設計的能力。課程中穿插對維納、韓京清等控制理論科學家故事的講解，培養(yǎng)學生追本溯源的科學精神和嚴謹求實的實驗態(tài)度。二、課程目標1.知悉和理解經(jīng)典自動控制理論和相關方法，并能夠應用于典型被控對象的分析和設計。2.能夠掌握完成應用SIMULINK控制系統(tǒng)工具箱搭建控制系統(tǒng)，解決線性系統(tǒng)時域、頻域及狀態(tài)空間仿真和實驗的問題，掌握使用MATLAB軟件提取相關數(shù)據(jù)并應用恰當?shù)挠嬎銠C技術解決不熟悉的新問題的能力。3.擁有根據(jù)實驗目的確定需要數(shù)據(jù)的能力，掌握實際系統(tǒng)與理論數(shù)學模型的聯(lián)系，具有解決問題的方法和思路，形成運用建模-仿真-實驗方法進行控制系統(tǒng)設計的意識。4.能夠駕馭針對典型被控對象直流電機、倒立擺基于MATLAB/SIMULINK的控制器設計和系統(tǒng)調(diào)試方法。掌握系統(tǒng)集成、傳感器標定、物理系統(tǒng)建模和參數(shù)辨識等方法，掌握系統(tǒng)調(diào)試和系統(tǒng)穩(wěn)定性等分析方法。具備對實驗過程的正確性加以評判，并能夠合理地分析實驗結果的基本素養(yǎng)。三、課程目標與畢業(yè)要求指標點對應關系畢業(yè)要求支撐畢業(yè)要求指標點課程目標畢業(yè)要求4:能夠基于科學原理并采用科學方法對自動化領域中的復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結論。4.2能夠根據(jù)實驗目的確定需要的數(shù)據(jù)，并能夠通過合適的手段收集數(shù)據(jù)。課程目標34.3能夠對實驗過程正確性加以評判，并能夠合理地分析實驗結果。課程目標4畢業(yè)要求5:能夠針對自動化領域中的復雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當?shù)募夹g、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術工具，包括對復雜工程問題的預測與模擬，并能夠理解其局限性。5.2能夠針對電氣傳動及控制、電力系統(tǒng)、電力電子、工業(yè)自動化、電子信息技術等電氣工程及相關領域復雜工程問題，開發(fā)、選擇和使用適當?shù)募夹g、現(xiàn)代工程工具和信息技術工具進行分析、預測和模擬，并判斷其在特定條件下的局限性課程目標1課程目標2課程目標410.3能夠使用多媒體技術或其他工具軟件，當眾展示或匯報自己的想法和成果。課程目標2課程目標3四、教學內(nèi)容及學時分配教學內(nèi)容學時支撐課程目標教學方法與策略第1部分MATLAB在自動控制理論中的應用1.MATLAB的基礎知識2.MATLAB傳遞函數(shù)的建立與框圖化簡3.MATLAB繪圖方法4.控制系統(tǒng)MATLAB時域分析方法5.控制系統(tǒng)MATLAB頻域分析方法6.控制系統(tǒng)MATLAB根軌跡分析方法4學時講授和輔導課程目標1課程目標2講授和輔導第2部分SIMULINK在自動控制理論中的應用1.基于SIMULINK典型環(huán)節(jié)的仿真2.基于SIMULINK二階系統(tǒng)階躍響應仿真3.基于SIMULINK串聯(lián)系統(tǒng)校正仿真4.基于SIMULINK的PID控制器參數(shù)仿真4學時講授和輔導課程目標1課程目標2講授和輔導第2章SIMULINK在自動控制理論中的應用1.典型環(huán)節(jié)的仿真2.二階系統(tǒng)階躍響應仿真3.串聯(lián)系統(tǒng)校正仿真4.PID控制器Simulink仿真4課程目標2課程目標3課程目標4課程目標5講授和輔導第3部分自動控制理論原理課程設計1.任務書下達與任務分解2.實驗硬件/軟件平臺結構介紹3.系統(tǒng)傳感器標定和系統(tǒng)參數(shù)測式4.課程設計團隊分組與項目管理2學時講授、討論和實驗課程目標1課程目標3項目驅動團隊合作第4部分自動控制理論原理課程設計（1）完成任務書一內(nèi)容：分析直流電機電壓-轉速控制系統(tǒng)和電壓-位置控制系統(tǒng)特性，設計PID（或改進的PID）位置控制器和速度控制，調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，使系統(tǒng)性能達到：調(diào)節(jié)時間<0.1s，超調(diào)量<5%，并對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行分析。學生課下建議投入學時2學時：進行直流電機電壓-速度和電壓-位置傳函推導，搭建SIMULINK模型進行仿真分析和設計。6學時實驗設計和輔導課程目標3課程目標4項目驅動團隊合作研究型實驗第4部分自動控制理論原理課程設計（2）完成任務書二內(nèi)容：對直流電機電壓-位置控制系統(tǒng)進行頻域分析，設計超前矯正器對二階系統(tǒng)進行超前校正，使系統(tǒng)性能達到：相位裕度60-75度。給出超前校正器設計、仿真和實驗過程。學生課下建議投入學時2學時：進行直流電機電壓-位置超前校正器設計計算，搭建SIMULINK模型進行仿真分析。6學時實驗設計和輔導課程目標3課程目標4項目驅動團隊合作研究型實驗第4部分自動控制理論原理課程設計（3）完成任務書三內(nèi)容：利用工程整定法對電機進行PID控制器設計，進一步進行創(chuàng)新性設計，完成基于電機控制的平衡控制實驗。學生課下建議投入學時2學時：掌握PID控制原理和工程整定方法，認識系統(tǒng)穩(wěn)定性。6學時實驗設計和輔導課程目標3課程目標4項目驅動團隊合作研究型實驗第5部分課程驗收以小組形式進項項目成果展示和答辯，小組之間相互打分提問。學生課下建議投入學時2學時：整理項目成果，制作展示PPT或視頻文件。4學時展示和互評課程目標3課程目標4項目驅動團隊合作研究型實驗五、課程考核與成績評定考核方式權重%課程目標1234課程設計報告50√√√√MOOC成績10√√√√實驗記錄單10√√√√實驗表現(xiàn)10√√√√課程設計答辯20√√√√總評100六、大綱說明本教學大綱適用于學習自動控制理論課程的本科生，重點放在實驗結果分析中。在教