自动控制理论（一）02291自学考试大纲

上海市高等教育自学考试

工业自动化专业（独立本科段）B080603

自动控制理论（一）（02291）自学考试大纲

上海交通大学自学考试办公室编

上海市高等教育自学考试委员会组编

2007年6月

Ⅰ、课程性质及其设置的目的和要求

一．本课程的性质与设置的目的

在现代工程和科学技术发展过程中，自动控制起着越来越重要的作用，它已渗透到科学技术的各个领域。本课程是工业电气自动化专业的技术基础课，是一门理论与实践紧密结合的课程。

本课程的基本任务是使学生掌握自动控制的经典控制理论，应用这种理论对自动控制系统进行分析和设计，为从事各类控制系统的设计、运用和维修的科技工作者打下一个必要的理论基础；并为学习相关后续课程打好基础。

二．本课程的基本要求

l．要求很好地掌握控制系统的数学模型及各种物理系统，特别是机电系统的数学模型。数学模型是各种分析及设计方法的工具及基础。

2．掌握时域分析法，频域分析法及根轨迹法。使用这些方法对系统进行分析和设计是本课程的核心。这些方法也是学习非线性和现代控制理论的基础。

    3．对非线性系统具有初步的分析能力。

4．要求掌握系统的时域和频域性能指标的测试方法，学会使用一般的测试和记录仪器。在条件具备的情况下，能利用模拟计算装置或数字计算机对系统进行仿真分析及设计。

三．与相关课程的联系

先修课:高等数学、工程数学、电工原理。

后续课:本课程为《微机控制技术》和《电力拖动自动控制系统》等课程提供了必要的理论基础。

Ⅱ、课程内容与考核目标

第一章 导论

一、学习目的和要求

了解自动控制的基本概念；自动控制理论的内容；自动控制系统的分类方法；自动控制系统的基本组成。

重点是：反馈的概念；开环与闭环控制的概念与特点；控制系统的基本组成；典型系统的工作原理。

二、课程内容

第一节 引言

第二节 自动控制系统的基本原理和组成

（一） 自动控制系统基本原理

（二） 自动控制系统的组成

第三节 自动控制系统的分类

（一） 按信号的传递路径来分

（二） 按系统输出信号的变化规律来分

（三） 按系统传输信号的性质来分

（四） 按系统的输入输出特性不同来分

第四节 控制系统实例

（一） 内燃机的转速控制系统

（二） 角度随动系统

三、考核知识点

（一） 自动控制系统的基本原理

（二） 自动控制系统的组成

（三） 自动控制系统的分类

（四） 控制系统实例

四、考核要求

（一） 自动控制系统的基本原理

1、识记

1. 自动控制系统的基本概念
   2、领会

1. 温度控制系统的工作原理
2. 火炮控制系统的工作原理
3. 水位控制系统的工作原理
   （二） 自动控制系统的组成
   1、识记

1. 各环节的名称及作用
   2、简单应用

1. 对给定的控制系统能画出其方框图并指出各物理部件的作用
   （三） 自动控制系统的分类
   1、领会

1. 开环控制系统的定义与特点
2. 闭环控制系统的定义与特点
3. 反馈的概念
4. 恒值控制系统与随动系统的概念
   （四） 控制系统实例
   1、领会

1. 内燃机转速控制系统的工作原理
2. 角度随动系统的工作原理
    
    
   第二章 控制系统的数学模型
   一、学习目的和要求
   了解建立系统微分方程式的一般方法；传递函数的定义、性质、求取方法；方块图的组成、基本概念及术语、方块图化简法则；信号流图的基本概念及术语、信号流图的绘制、梅逊公式及其应用；典型物理系统的数学模型建立。
   重点是：系统微分方程的建立；传递函数的求取方法；方块图化简；方块图化信号流图；利用梅逊公式求取系统传递函数；机械系统、电气系统的数学模型建立。
    
   二、课程内容
   第一节 控制系统的时域数学模型－微分方程
   （一） 系统的微分方程举例
   （二） 非线性系统的线性化
   第二节 控制系统的复域数学模型－传递函数
   （一） 传递函数定义
   （二） 传递函数性质
   第三节 控制系统的频域数学模型－频率特性
   第四节 典型环节及其传递函数
   第五节 控制系统的方块图
   （一） 系统方块图
   （二） 方块图的基本运算法则
   （三） 系统常用的传递函数
   （四） 方块图的简化法则
   第六节 信号流图
   （一） 几个定义
   （二） 信号流图的性质及运算法则
   （三） 信号流图与方块图之间等效关系
   （四） 梅逊公式
   第七节 物理元件和系统的数学模型
   （一） 机械系统
   （二） 电气系统
   （三） 典型位置随动系统的数学模型
   三、考核知识点
   （一） 系统微分方程式的建立
   （二） 传递函数
   （三） 方块图
   （四） 信号流图
   （五） 物理系统数学模型
    
   四、考核要求
   （一） 系统微分方程式的建立
   1、识记

1. 线性定常系统的微分方程标准表达式
   2、领会

1. 系统微分方程式建立的一般过程及步骤
   3、简单应用

1. 物理系统微分方程的建立
   （二） 传递函数
   1、领会

1. 传递函数的定义
2. 稳态增益与增益因子的概念
   2、简单应用

1. 传递函数的性质与求取方法
2. 典型环节的传递函数
   （三） 方块图
   1、领会

1. 方块图的基本概念及术语
   2、简单应用

1. 方块图化简法则及应用
   （四） 信号流图
   1、领会

1. 信号流图的基本概念及术语
   2、简单应用

1. 方块图化信号流图
   3、综合应用

1. 应用梅逊公式求取系统变量之间的传递函数
   （五） 物理系统数学模型
   1、简单应用

1. 机械系统的数学模型建立
2. 电气系统的数学模型建立
3. 典型位置随动系统的数学模型建立
   
   第三章 自动控制系统的时域分析
   一、学习目的和要求
   了解系统稳定的基本概念；线性系统稳定的充分必要条件；系统稳定的必要条件；劳斯判据；稳态误差定义；系统类型；位置误差及位置误差系数；速度误差与速度误差系数；加速度误差与加速度误差系数；一阶系统的阶跃响应，动态性能和稳态误差分析；二阶系统的阶跃响应，动态性能和稳态误差分析；熟悉常用的典型测试信号。
   重点是：系统稳定的充分必要条件；劳斯稳定判据；稳态误差系数与稳态误差；动态性能指标。
    
   二、课程内容
   第一节 常用的典型测试信号
   第二节 控制系统的稳定性分析
   （一） 稳定性的基本概念
   （二） 线性定常系统稳定的充分必要条件
   （三） 劳斯稳定性判据
   第三节 控制系统的稳态特性－稳态误差分析
   （一） 稳态误差和控制系统类型
   （二） 稳态误差系数和稳态误差计算
   第四节 控制系统的动态特性－动态响应分析
   （一） 控制系统动态响应指标
   （二） 一阶系统的动态响应
   （三） 二阶系统动态响应的描述参数
   （四） 二阶系统的单位阶跃响应
   （五） 二阶系统的动态响应指标
   第五节 高阶系统的动态响应
   （一） 高阶系统动态响应的特点
   （二） 主导极点、偶极子和附加零极点
    
   三、考核知识点
   （一） 控制系统常用的典型测试信号
   （二） 控制系统的稳定性分析
   （三） 控制系统的稳态性能分析
   （四） 控制系统的动态响应
   （五） 高阶系统的动态响应
    
   四、考核要求
   （一） 控制系统常用的典型测试信号
   1、识记

1. 典型测试信号的定义
2. 典型测试信号的数学表达式
   （二） 控制系统的稳定性分析
   1、领会

1. 稳定性的基本概念
2. 线性定常系统稳定的充分必要条件
3. 系统定常系统稳定的必要条件
   2、简单应用

1. 劳斯稳定判据及应用
   （三） 控制系统的稳态性能分析
   1、领会

1. 稳态误差的定义
2. 控制系统的类型
   2、简单应用

1. 稳态误差系数及稳态误差的求取
   （四） 控制系统的动态响应
   1、领会

1. 控制系统的动态响应指标
   2、简单应用

1. 一阶系统的阶跃响应及性能指标
   3、综合应用

1. 二阶系统的阶跃响应及性能指标
   （五） 高阶系统的动态响应
   1、领会

1. 主导极点
2. 偶极子
3. 附加零极点
    
    
   第四章 根轨迹法
   一、学习目的和要求
   了解根轨迹的概念；系统的闭环传递函数与开环传递函数之间的关系；根轨迹的幅值条件及相角条件；一般根轨迹的绘制规则；利用根轨迹法分析系统的性能；开环零极点的增加和移动对根轨迹的影响。
   重点是：根轨迹的幅相条件；根轨迹的绘制方法。
    
   二、课程内容
   第一节 闭环系统的根轨迹
   （一） 根轨迹的定义
   （二） 根轨迹的幅值条件和相角条件
   第二节 绘制根轨迹的基本规则
   （一） 绘制根轨迹的基本规则和步骤
   （二） 开环零、极点的变化对根轨迹的影响
   第三节 根轨迹的应用
   （一） 用根轨迹分析系统
   （二） 用根轨迹选择系统参数
    
   三、考核知识点
   （一） 根轨迹定义与幅相条件
   （二） 根轨迹的绘制
   （三） 开环零极点的增加及移动对根轨迹的影响
    
   四、考核要求
   （一） 根轨迹定义与幅相条件
   1、领会

1. 根轨迹的定义
2. 根轨迹方程
3. 根轨迹的幅相条件
   （二） 根轨迹的绘制
   1、简单应用

1. 根轨迹的绘制规则
2. 基于根轨迹的稳定性分析
   （三） 开环零极点的增加及移动对根轨迹的影响
   1、领会

1. 增加开环零极点对根轨迹的影响
2. 移动开环零极点对根轨迹的影响
    
    
   第五章 线性系统的频域分析－频率响应法
   一、学习目的和要求
   了解频率特性的定义、求法及性质；频率特性的极坐标图、伯德图；最小相位系统；奈魁斯特稳定性判据；由伯德图分析系统静态性能；由开环频率特性图分析系统动态性能；增益裕量和相位裕量；传递函数的实验确定。
   重点是：频率特性的求取；极坐标图；伯德图；奈魁斯特稳定性判据；增益裕量和相位裕量；由伯德图确定系统的传递函数。
    
   二、课程内容
   第一节 频率特性
   （一） 线性定常系统对正弦输入信号的响应
   （二） 系统的频率特性
   （三） 频率特性的性质
   第二节 频率特性图
   （一） 频率特性的极坐标图
   （二） 典型环节的奈氏图
   （三） 对数频率特性图
   （四） 基本因子的伯德图
   （五） 控制系统的伯德图
   （六） 最小相位系统和非最小相位系统
   （七） 对数幅相特性图
   第三节 频域中的稳定性判据
   （一） 引言
   （二） 幅角原理
   （三） 奈氏稳定性判据
   （四） 伯德图的奈氏判据
   第四节 系统动态性能的频域分析与频域指标
   （一） 系统的相对稳定性
   （二） 基于开环频率特性的系统动态性能分析
   （三） 基于闭环频率特性的系统动态性能分析
   （四） 从尼科尔斯图求闭环系统的频域指标
   第五节 基于伯德图的系统稳态性能分析
    
   三、考核知识点
   （一） 频率特性
   （二） 极坐标图
   （三） 对数频率特性图
   （四） 稳定性分析—奈氏稳定性判据
   （五） 稳态性能分析
   （六） 动态性能分析
   （七） 频率特性的测试和传递函数的求取
    
   四、考核要求
   （一） 频率特性
   1、识记

1. 频率特性的定义
   2、领会

1. 频率特性的性质
   （二） 极坐标图
   1、领会

1. 基本因子的画法
2. 增加开环零极点对奈魁斯特曲线形状的影响
   2、简单应用

1. 极坐标图的一般绘制规则
   （三） 对数频率特性图
   1、领会

1. 对数频率特性图的组成及优点
2. 基本因子的伯德图
   2、简单应用

1. 绘制对数频率特性曲线的一般步骤
2. 最小相位系统、非最小相位系统
   （四） 稳定性分析—奈氏稳定性判据
   1、领会

1. 开环与闭环系统零极点间的关系
2. 幅角原理
3. 奈氏路线
4. 奈氏判据
5. 在s=0及s→∞的奈魁斯特曲线的画法
6. 伯德图的奈氏判据
   2、综合应用

1. 奈氏判据的应用
2. 条件稳定系统
   （五） 稳态性能分析
   1、领会

1. 系统类型的确定
   2、简单应用

1. 位置误差系数的确定
2. 速度误差系数的确定
3. 加速度误差系数的确定
   （六） 动态性能分析
   1、领会

1. 增益剪切频率、相位剪切频率
   2、简单应用

1. 增益裕量与相位裕量
2. 由开环、闭环频率特性分析系统的动态性能
3. 二阶系统的谐振峰值、谐振频率、带宽
   （七） 频率特性的测试和传递函数的求取
   1、综合应用

1. 根据Bode图求传递函数
    
    
   第六章 线性控制系统的设计
   一、学习目的和要求
   了解控制系统的品质指标；系统校正的一般方法和基本概念；相位超前校正网络的设计；相位滞后校正网络的设计；相位超前—滞后校正网络的设计；PI、PD、PID控制的特点。
   重点是：相位超前校正；相位滞后校正；相位超前—滞后校正。
    
   二、课程内容
   第一节 引言
   第二节 不同域中系统动态性能指标的相互关系
   第三节 串联校正
   （一） 相位超前校正
   （二） 相位滞后校正
   （三） 相位超前－滞后校正
   （四） 有源校正网络
   （五） 不希望极点的抵消
   第四节 局部反馈校正
   （一） 局部反馈校正的基本原理
   （二） 速度反馈
   （三） 速度微分反馈
   第五节 PID控制器
   （一） 比例－积分控制
   （二） 比例－微分控制
   （三） 比例－积分－微分控制
   （四） PID控制的实现
   第六节 前馈补偿与复合控制
   （一） 按输入补偿的复合控制系统
   （二） 按扰动补偿的复合控制系统
    
   三、考核知识点
   （一） 品质指标的提法及转换
   （二） 相位超前校正
   （三） 相位滞后校正
   （四） 相位超前－滞后校正
   （五） PID控制
    
   四、考核要求
   （一） 品质指标的提法及转换
   1、领会

1. 品质指标的提法
2. 品质指标的转换
   （二） 相位超前校正
   1、领会

1. 相位超前网络
2. 相位超前校正的作用及限制
   2、综合应用

1. 用伯德图设计相位超前校正网络
   （三） 相位滞后校正
   1、领会

1. 相位滞后网络
2. 相位滞后校正的作用及限制
   2、综合应用

1. 利用伯德图设计相位滞后校正网络
   （四） 相位超前－滞后校正
   1、领会

1. 相位超前—滞后网络
2. 超前、滞后及超前—滞后校正比较
   2、综合应用

1. 用伯德图实行相位超前—滞后校正
   （五） PID控制
   1、领会

1. PI控制的优缺点
2. PD控制的优缺点
3. PID控制的优缺点
    
    
   第七章 非线性反馈控制系统
   一、学习目的和要求
   了解非线性系统的基本概念及特性；典型的非线性静特性；描述函数法的定义、表达式；极限环的存在性和稳定性；极限环的振荡幅值和振荡频率；相平面法。
   重点是：判断极限环的存在性和稳定性；求取极限环的振荡幅值和振荡频率；绘制相平面图的基本方法。
    
   二、课程内容
   第一节 非线性控制系统的概述
   （一） 典型非线性特性
   （二） 非线性系统的特点
   第二节 描述函数法
   （一） 描述函数的基本概念
   （二） 典型非线性的描述函数
   （三） 组合非线性特性的描述函数
   （四） 非线性系统的描述函数分析
   第三节 相平面法
   （一） 相轨迹的基本概念
   （二） 奇点和极限环
   （三） 相轨迹的绘制
   （四）非线性系统的相平面分析
   第四节 利用非线性特性改善系统的性能
    
   三、考核知识点
   （一） 非线性系统的基本概念及特点
   （二） 典型非线性静特性
   （三） 描述函数法
   （四） 相平面法
    
   四、考核要求
   （一） 非线性系统的基本概念及特点
   1、识记

1. 非线性系统的基本概念
2. 非线性系统的特点
   （二） 典型非线性静特性
   1、识记

1. 饱和非线性特性
2. 死区非线性特性
3. 齿隙非线性特性
4. 继电非线性特性
   （三） 描述函数法
   1、领会

1. 描述函数的概念
2. 典型非线性的描述函数
   2、综合应用

1. 非线性控制系统的描述函数分析
   （四） 相平面法
   1、领会

1. 相平面的概念
   2、简单应用

1. 相平面图的绘制
2. 奇点和极限环
3. 用相平面法分析继电型控制系统
   
   Ⅲ、有关说明与实施要求
    

1. 关于考核目标的说明
   在本大纲的“考核要求”中提出了“识记” 、“领会” 、“简单应用” 和“综合应用”四个能力层次，它们之间是递进等级关系，后者必须建立在前者的基础上。它们的含义是：

1. “识记”：要求考生能够对大纲中的知识点，如定义、定理、公式、性质、法则等有清晰准确的认识，并能做出正确的判断和选择。（考题中占15%）
2. “领会”：要求考生能够对大纲中的概念、定理、公式、法则等有一定的理解，清楚它与有关知识点的联系与区别，并能做出正确的表述和解释。（考题中占25%）
3. “简单应用”：要求考生能够运用大纲中各部分的少数几个知识点，解决简单的计算、证明或应用问题等。（考题中占35%）
4. “综合应用”：要求考生在对大纲中的概念、定理、公式、法则熟悉和理解的基础上，会运用多个知识点，分析、计算或推导解决稍复杂的问题。（考题中占25%）
   简单地说，识记，能够指出是什么；领会，要能回答为什么；简单应用和综合应用，要能回答干什么和怎么干。
    

1. 关于自学教材的说明
   《工程控制基础》：田作华、陈学中、翁正新编著，清华大学出版社，2007年9月第1版。
    
2. 自学方法指导
   1．先详细阅读自学考试大纲中有关各章的考核知识点，自学要求，考核要求，以便阅读教材时，心中有数，有的放矢。
   2．自学中应以阅读教材为主，翻阅参考书为辅。阅读教材时，结合自学要求，对有关各节，各段的内容要仔细阅读，推敲。阅读例题时，可自已试做，以此来检查学习。
   3．学习过程中要注意掌握一些基本概念和分析方法，公式应用的条件，切忌死记硬背，要能做到灵活应用和举一反三。学习中注意各节，各章的有机联系，本课程就应以掌握各种系统分析、设计方法为纲。
   4．做作业是理解、消化和巩固所学知识，培养分析问题、解决问题能力的重要环节。在有关章节阅读、理解后再做作业。
       5．认真参加实验，这不仅有助于提高动手能力，而且有助于加深对教材内容的理解和掌握。
    
3. 对社会助学的要求

1. 应熟悉本考试大纲提出的课程总要求和各章的知识点。
2. 应掌握各知识点要求达到的考核层次，并理解对各知识点的具体考核要求。
3. 教学过程中应以本大纲为依据，以本大纲指定的教材进行教学和辅导，不要随意增删内容或更改要求，以免与考试大纲脱节。
4. 助学辅导时应重视基础知识和应用技能的培养，根据考生的特点，按照本大纲的具体要求制定并实施教学计划。
5. 注意对考生自学能力的培养，要引导考生逐步学会独立思考，能自己提出问题、分析问题、做出判断和解决问题。
6. 要使考生了解试题的难易程度和能力层次的高低要求不完全是一回事，每个能力层次中都可能出现不同难度的试题。
    

1. 关于命题考试的要求

1. 本大纲各章提到的“考核知识点”与“考核要求”中的各条知识细目，都属于考核的内容。考试命题覆盖到章，并适当突出重点章节，加大重点内容的覆盖度。
2. 试卷中对不同能力层次要求的分数比例大致为：识记占15％，领会占25％，简单应用占35％，综合应用占25％。
3. 试题的难易程度可分为四档：易、中等偏易、中等偏难、难，在每份试卷中所占的分数比例一般为20：30：30：20，而且各能力层次中都存在着不同难度的试题。
4. 试题的主要题型有：填空题、单项选择题、双项选择题、计算题、综合题。
5. 考试方式为闭卷、笔试。考试时间为150分钟。评分采用100分制，60分为及格。考试时只允许携带笔、橡皮和计算器，答卷必须用蓝色或黑色水笔，不允许使用其他颜色。
   在命题工作中应该按照本考试大纲中所规定的题型来命制，考试试卷所使用的题型可以略少，但不能超出规定。

附录  题型举例

一、填空题：

1. 自动控制系统的性能通常是指系统的稳定性、稳态性能和（        ）。
2. 对线性系统，若其输入信号为正弦量，则其稳态输出信号将是（        ）。

1. 单项选择题：在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的，请将正确选项前的字母填在题后的括号内。

1. 在自动控制中最常用的数学模型是系统的（         ）
   A.传递函数     B.微分方程      C.差分方程   D.动态结构图
2. 在自动控制系统的性能指标中，最重要的性能是（    ）
   A.动态性能 B.稳定性 C.稳态性能 D.快速性
   1. 双项选择题：在每小题列出的五个选项中有二个选项是符合题目要求的，请将正确选项前的字母填在题后的括号内。多选、少选、错选均无分。

1. 积分环节是自动控制系统中遇到的最多的环节之一，例如（    ）（    ）
   A、电容的电量与电流 B、电子放大器
   C、直流电动机 D、温度与电功率
   E、齿轮减速器
2. 自动控制系统按输入量变化的规律可分为恒值控制系统、（    ）和（    ）
   A、连续控制系统 B、随动系统
   C、过程控制系统 D、离散控制系统
   E、时变系统
   四、计算题

1. 设系统特征方程为：，试用Routh判据确定系统正实部根的个数。
   五、综合题

1. 单位负反馈系统开环传递函数为：，如果要使得闭环系统的稳态速度误差系数，相位裕量不小于，增益裕量不小于10分贝，试设计滞后校正网络使系统满足品质指标。