大學說課(自動控制原理)詳細版教材課程

大學自動控制原理詳細版教材課程

教師：

教研室：電子信息工程教研室

自動控制原理是電子信息工程專業(yè)的一門基礎課程。它不僅需要扎實的電

路分析和高等數學基礎知識，而且作為今后學習計算機控制技術的前提起著承

上啟下的作用。因此，對本專業(yè)的學生來說，學好這門課程是非常重要的。讓

我從以下幾個方面談談如何講授自動控制原理課程。

1、教材

1.教材：

《自動控制原理》工科院校控制類系列教材

主編：張飛、李麗

從實際工程應用的角度出發(fā)，該教材注重基礎性'系統(tǒng)性和實用性，深入

介紹了自動控制系統(tǒng)的數學描述方法、時域分析和頻域分析方法。本書共分八

-1-

章（具體內容在教學設計過程中詳細介紹）。每章后面都有相應的練習，書中

還提供了一些練習參考答案，供學生參考和比較。

另外，《自動控制原理》課程是計算機控制技術課程的一門必修課。只有

學好這門課程，我們才能更好地學習計算機控制技術（這門課程將由這名學生

在下學期學習）。

2.輔助教材：《自動控制原理》，科學出版社

現代控制理論，清華大學出版社

3.后續(xù)課程：

先修課程：電路分析，復變函數

跟進：現代控制理論、計算機控制技術、嵌入式技術

2、教學方法與教學設計過程

（1）課程簡介

-2-

1、自動控制原理課程本身使用了大量的拉普拉斯變換和復變函數理論，所

以如果你想學好自動控制原理，首先必須看看你在大學數學中是否有堅實的基

礎（特別是復變函數和積分變換）。

2、除了所需的數學基礎之外，你還需要具備處理相關專業(yè)知識的能力。例

如，要建立實際系統(tǒng)的物理模型，就需要對電路（主要是模擬電路）、大學物

理和力學原理有很好的了解。同時，還需要具備一定的數學建模能力。

說到這個，有良好基礎的學生暗暗高興，但對那些基礎較差的學生來說，

這可能是一個打擊。這些學生可能有一種不想學的心理，所以他們不得不收回

自己的話。有一個好的基礎是好的，但不要對那些基礎差的人失去信心。在上

課的過程中，我們會遇到與以前學科相關的地方，如果你忘記或不明白，你會

詳細解釋）

3.正是因為這門課程充滿了數學，所以不要把自動控制原理當成數學來學

習。這樣，你就會更加困惑，甚至懷疑控制理論的科學性。因為作為一門數學

課程，你只掌握一些方程的運算和圖形的繪制。你不明白為什么實際系統(tǒng)會遵

循控制理論所描述的規(guī)律（比如水位可以精確控制），這會讓你覺得它完全是

數學的功用，忽略了自動控制的基本思想和這些數學方程受物理定律支配的事

實。許多過去擅長數學的學生學不好控制理論。他們都犯了把自控理論課當成

數學課的思想錯誤。

-3-

4.學習自動控制原理，掌握基本的控制思想是最重要的（它不同于數學思

想和物理思想）。高校學習的自動控制原理主要涉及經典控制理論，因此其最

基本的控制思想是負反饋思想。許多穩(wěn)定性理論都是基于這一思想。因此，盡

管數學非常重要，但數學只是自動控制理論的有力工具。

5.珍惜每一次鍛煉的機會。沒有多少確切的話題。一般來說，你可以掌握

書中每一章后面的所有練習（第一次做不到并不重要，關鍵是要理解）。即使

你已經達到了基本的掌握水平。

6.談論仿真軟件時要仔細聽。每次編程都要用自己的腦子，不要按照老師

的步驟機械地把它輸入電腦，而是要有自己的編程方法。例如，在由多極運算

放大器構成的電路控制系統(tǒng)中，我們應該思考為什么某些參數的變化（如電容

的變化）會導致控制量（如電壓）的不穩(wěn)定或控制精度的下降。

7.要樹立學好自動控制原理的信心。能夠接觸到19世紀著名的革命思想，

特別是20世紀著名的理論，我們應該感到自豪。19.20世紀革命性的著名理論:

進化論、資本論、相對論、量子論、信息論、控制論和系統(tǒng)論。我主修文科，

學習馬克思的經典著作《資本論》。那么理工科的學生應該自豪地說，你學到

了最先進的科學思想和控制論，現代技術科學的三大支柱之一（現代技術科學

的三大支柱是信息論'控制論和系統(tǒng)論）。

（2）教學內容的組織

-4-

1.控制系統(tǒng)的定性描述上升為控制系統(tǒng)的定量描述。這是非常重要的。使

學生學會工程技術的一般方法，學會如何從大量實際的、具體的物理或化學系

統(tǒng)中，通過系統(tǒng)中的機理關系，建立統(tǒng)一的數學模型，把個別問題普遍化，把

具體問題抽象化，從而運用教學方法進行定量研究，回歸實際系統(tǒng)。

2.穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)和動態(tài)“三態(tài)”來描述系統(tǒng)的性能。“三態(tài)”思想應貫穿

于課程教學之中，圍繞系統(tǒng)的三態(tài)進行分析和設計。

3.講解代數描述與幾何描述的關系與轉換，使學生學會運用數學工具從多

角度描述和看待問題。在《自動控制原理》課程中，需要用到微分方程模型、

傳遞函數模型、框圖模型、根軌跡模型、脈沖響應模型、波特圖、奈奎斯特圖

等模型的表示形式，這些模型之間有著非常有意義的聯(lián)系。例如，控制系統(tǒng)的

根軌跡圖不僅可以定量地描述控制系統(tǒng)的模型，而且可以直接反映控制系統(tǒng)的

性能；控制系統(tǒng)的Bode圖不僅反映了系統(tǒng)的數量關系，而且反映了系統(tǒng)的性能;

等待通過對這些方法的講解，可以引導學生學習和思考如何運用工具將實際問

題與抽象描述相結合，對學生分析問題的能力有很大的幫助。

4.應重視時域分析方法。以往，由于計算工具簡單，計算復雜不方便，傳

統(tǒng)的方法主要集中在一階和二階系統(tǒng)的時域分析，而高階系統(tǒng)的動力學分析主

要是簡單介紹。隨著計算手段的改進，特別是Matlab工具平臺的完善，復雜的

計算不再困難。在課堂教學中可以考慮Matlab工具平臺。一般系統(tǒng)的動力分析

-5-

和計算不再受系統(tǒng)階次的限制。

5.要與實踐緊密聯(lián)系。參考一些網上資源和國外優(yōu)秀教材，介紹控制原理

的應用背景，即學習過程中理論與實踐的結合。

(3)教學方法與形式

1.黑板教學。

本課程的理論知識比較復雜，較多地運用了高等數學和復變函數的知識。

如果采用多媒體課件進行教學，學生只知道公式是什么，而不能深刻理解公式

或方法的推導、推導及具體應用。在課堂上用板書與學生討論，我們會印象深

刻，記憶力更強。同時，對于那些打算考研的學生來說，這樣的教學方式也可

以提高他們的邏輯思維和推理能力，因為我們的大學生有一個非常壞的習慣：

吃飯等飯。教師不能獨立思考，不能獨立思考。就這樣，他們在參加數學研究

生入學考試時吃了不少苦頭。通過本課程，學生的獨立思考能力也得到了一定

程度的鍛煉。這在05年級已經畢業(yè)的學生中取得了初步的成績。

2.討論式教學

在教授一些公式或方法時，可以讓學生自己動手或用自己的方法驗證，這

樣可以大大提高學生的學習積極性和積極性。

-6-

3.運動課教學方法的改革

盡量少留作業(yè)，拿出一個或幾個典型問題，或解決多個問題，讓學生獨立

完成，最大限度地減少抄襲的發(fā)生。

4.期末考試

增加常規(guī)測試的強度。例如，設計了一個系統(tǒng)。在學習了第一章之后，對

系統(tǒng)進行了定性分析。在學習了第二章的內容后，建立了系統(tǒng)的數學模型。在

學習了第三章之后，對其進行了時域分析。在第四章之后，利用根軌跡分析了

它的性能。第五章采用頻域方法對系統(tǒng)進行了分析。這樣，學生不僅要練習具

體的方法，還要學會將所學知識與實際系統(tǒng)相結合，還要在一個系統(tǒng)中比較不

同的方法。期末考試采用開卷考試的形式，重點是掌握基本方法，學生不必背

誦公式。

3、整本書的結構

這本書有八章。由于課時的限制，我們只能談第五章，共五章的理論知識。

由于我校沒有自動控制原理實驗箱，本課程只能進行模擬實驗，實驗將在下學

期的《計算機控制技術》課程中進行。

-7-

第一章自動控制系統(tǒng)概述（4學時）

1.1簡介

1.2開環(huán)控制和閉環(huán)控制

1.3自動控制及自動控制系統(tǒng)

1.4自動控制理論的發(fā)展

第二章控制系統(tǒng)數學描述方法（共12學時）

2.1控制系統(tǒng)微分方程

2.2非線性微分方程的線性化

2.3拉普拉斯變換及其應用（關鍵）

2.4傳遞函數

2.5動態(tài)結構圖

-8-

2.6一般反饋控制系統(tǒng)

練習

第三章控制系統(tǒng)時域分析（共14學時）

3.1時域分析的一般方法

3.2一階系統(tǒng)分析

3.3二階系統(tǒng)分析

3.4高階系統(tǒng)分析

3.5控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

3.6控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析

練習

第四章根軌跡法（共14學時）

-9-

4.1根軌跡的基本概念

4.2繪制根軌跡的基本規(guī)則（要點）

4.3控制系統(tǒng)根軌跡圖

4.4控制系統(tǒng)的根軌跡分析

練