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理論類課程大綱
課程名稱:自動控制原理
一、課程概況
所屬專業: 自動化 開課單位： 物理與電子信息學院
課程類型: 專業基礎課程 課程代碼: 0845250
開課學期: 5 學分： 4.5
學時： 64 核心課程: 是
擬使用教材：
胡壽松. 自動控制原理. 科學技術出版社. 2013
國內(外)現有教材：
1．吳麒主編. 自動控制原理.清華大學出版社
2．李友善主編. 自動控制原理. 國防工業出版社
3．戴忠達主編. 自動控制理論基礎.清華大學出版社
學習參考資料
1．盧京潮主編.《自動控制原理》.西北工業大學出版社
2．劉慧英主編《自動控制原理導教.導學.導考》.西北工業大學出版社
二、課程描述
本課程是自動控制類專業的專業基礎課，其教學任務是使學生掌握自動控制
系統的基本概念和自動控制系統分析、設計(校正)的基本方法，初步掌握系統實
驗技能，學會運用 Matlab 進行控制系統輔助分析設計的方法，為后續課程（現
代控制理論，計算機控制系統，工業過程控制等）的學習提供所應用的系統分析、
設計的基本理論和基本方法，掌握必要的基本技能，為進一步深造打下必要的理
論基礎。
三、課程目標
（1）掌握經典控制論中，線性定常連續、單輸入單輸出閉環控制系統的工
作原理、分析和綜合，掌握反饋控制原理的應用以及分析和設計的一般規律，使
其具有分析和設計自動控制系統的初步能力，使學生對系統的認識上升到更高的
層次。
（2）了解控制系統中常用的檢測裝置，常用執行機構的工作原理，數學模
型的建立過程，以及自控原理、經典控制論在當今的發展狀況。
（3）了解并掌握對系統的仿真，其中包括模擬仿真和數字仿真，使學生建
立起仿真的概念，并靈活應用于解決實際問題，掌握用模擬和數字仿真方法來進
行原理實驗，獲得仿真實驗技能的基本訓練。
四、教學要求
授課教師將按照學校本科教學工作有關要求做好課程教學各項工作，嚴格按
照課表規定的時間、地點上課，不遲到、不早退，將根據本大綱要求，認真備課
完成教案與講稿編寫等各項課前準備工作；授課過程力求內容充實、概念準確、
思路清晰、詳略得當、邏輯性強、重難點突出，力戒平鋪直敘、照本宣科，同時
重視對學生的學習方法指導和課堂教學效果信息的反饋，實現教與學的雙向互動；
同時將結合課程目標要求，做好考核內容設計，并嚴格按照本大綱要求做好出勤
率統計、作業評價等各項工作。
學習是大學生自己的責任和義務，學生應根據課程大綱要求制定本門課程學
習計劃，加強學業管理，嚴格自我要求，提升自主學習能力，主動適應課程學習
要求。參與課堂教學活動不遲到、不早退，無正當理由不請假，上課認真聽講，
不做任何與課堂教學無關事宜，不使用手機，積極與授課教師進行教學互動，同
時利用課余時間做好預習、復習、課外書籍閱讀等工作，主動與同學開展合作學
習，認真完成任課教師布置的課程作業。
五、考核方式及要求
為實現課程教學目標，本門課程考核方式及要求為：出勤率占 10%，點到不
少于 3 次，其中缺席 1 次，按無成績計算；隨堂測驗 1 次，測驗成績按 20%折算
后計入總成績；課程作業 1 次，按批改成績 20%折算后計入總成績；教師隨堂檢
查學生課堂筆記記錄情況并打分，按 10%計入總成績；期末考試分卷面考試與實
踐操作兩部分，分別占總成績的 20%。
六、課程內容
第一章自動控制的一般概念
（授課時間：第五學期 6 學時）
教學目標：掌握自動控制系統及其任務、控制的基本方式（開/閉環控制）、負反饋控制
原理，掌握自動控制系統的基本組成及分類、對控制系統的基本要求。
教學重點：控制的基本方式，負反饋控制原理，自動控制系統的基本組成，對控制系統的
要求。
教學難點：控制系統結構框圖的繪制。
學時：課堂教學 6 學時，課外自主學習時間不少于 6 學時
教學方法：講授法
主要內容：（1）自動控制的基本原理與方式；
（2）自動控制系統示例；
（3）自動控制系統的分類；
（4）對自動控制系統的基本要求。
學習方法：課堂講授為主，結合小組討論
課后作業：完成教材第 18 頁習題 1-2、1-4、1-5、1-7 并在下周課前提交
第二章控制系統的數學模型
（授課時間：第五學期 12 學時）
教學目標：掌握掌握微分方程建立和非線性方程線性化的方法。熟練掌握傳遞函數的概念、
定義、性質及局限性。掌握典型環節的概念；熟悉常用元部件的傳遞函數，明
確系統常用的傳遞函數形式。學會由系統微分方程建立系統結構圖。熟練掌握
用拉氏變換方法求解線性常微分方程的方法；熟練掌握利用結構圖等效變換和
梅遜公式求系統傳遞函數的方法。
教學重點：傳遞函數與微分方程之間的關系。結構圖的建立與等效變換、梅遜公式。利用
結構圖等效變換和梅遜公式求系統傳遞函數的方法。
教學難點：各種求解傳遞函數的方法。
學時：課堂教學 12 學時，課外自主學習時間不少于 8 學時
教學方法：講授法
主要內容：（1）控制系統的時域數學模型；
（2）控制系統的復數域數學模型；
（3）控制系統的結構圖與信號流圖；
（4）控制系統建模實例。
學習方法：課堂講授為主，結合小組討論
課后作業：完成教材第 59 頁習題 2-3、2-9、2-10、2-13、2-15、2-17、2-22 并在
下周課前提交
第三章線性系統的時域分析法
（授課時間：第五學期 12 學時）
教學目標：掌握了解對于線性定常連續系統的在時域上的分析的一般過程，典型輸入信號
的拉氏變換。一階系統的過渡過程，掌握二階系統的過渡過程和高階系統的過
渡過程，控制系統的穩定性分析，以及控制系統穩態誤差的計算方法。了解無
差度的概念。掌握消除和減少穩態誤差的辦法以及了解用復合控制怎樣可以減
少系統的穩態誤差，提高系統的無差度的原理。
教學重點：掌握①時域上描述系統動態性能的特性指標δ %、ts。②勞斯判據判斷系統的
穩定性。③穩定誤差計算以及減少標志誤差，提高控制精度的辦法。
教學難點：控制系統時域設計
學時：課堂教學 12 學時，課外自主學習時間不少于 8 學時
教學方法：講授法
主要內容：（1）系統時間響應的性能指標；
（2）一階系統的時域分析；
（3）二階系統的時域分析；
（4）高階系統的時域分析；
（5）線性系統的穩定性分析；
（6）線性系統的穩態誤差分析；
（7）控制系統時域設計
學習方法：課堂講授為主，結合小組討論
課后作業：完成教材第 128 頁習題 3-2、3-3、3－4、3－6、3－7、3－9、3－11、
3－13、3－14、3－16、3－23、3－31 并在下周課前提交
第四章線性系統的根軌跡法
（授課時間：第五學期 8 學時）
教學目標：了解控制系統根軌跡的概念，一般解析畫法過程。用根軌跡法分析控制系統的
思路。掌握繪制根軌跡的基本規則，并利用基本規則概要畫出給定系統的根軌
跡。并在此基礎上用根軌跡法來分析系統的穩定性，動態性能的好壞和閉環主
導極點在 S 平面上分布的關系。并掌握最小相位系統的參數根軌跡的畫法。最
后給出閉環極點，零點分布和控制系統性能指標之間的關系。應用 Matlab 中根
軌跡工具箱對系統進行性能分析。
教學重點：根軌跡的畫法，參數根軌跡的畫法，并學會用根軌跡的方法來分析控制系統，
附加開環零極點對系統根軌跡的改造和對系統性能的影響。
教學難點：用根軌跡的方法來分析控制系統。
學時：課堂教學 8 學時，課外自主學習時間不少于學時
教學方法：講授法
主要內容：（1）根軌跡法的基本概念；
（2）根軌跡繪制的基本法則；
（3）廣義根軌跡；
（4）系統性能的分析；
（5）控制系統復域設計
學習方法：課堂講授為主，結合小組討論
課后作業：完成教材第頁習題并在下周課前提交
第五章 線性系統的頻域分析法
（授課時間：第五學期 16 學時）
教學目標：了解一個系統和一個環節的頻率特性并得出系統的正弦傳遞函數。了解頻率特
性的表示方法幅相曲線和波特圖，并學會畫一個典型環節的頻率特性（幅相曲
線和波特圖）。了解閉環頻率特性圖的畫法。掌握系統開環傳遞函數的幅相曲
線和波特圖，并在此基礎上利用系統的幅相曲線和波特圖來分析系統的穩定性
──奈氏判據，用幅數曲線和波特圖來分析系統的動態性能──控制系統的相
對穩定性。掌握開環頻率特性與控制系統性能的關系。
教學重點：用頻率特性的方法來分析系統的穩定性，以及相對穩定性以及開環頻率特性與
控制系統性能指標間的關系。用奈氏判據判斷系統的穩定性中幅相曲線包圍（-1，
J0）點圈數情況，以及負數軸上（-1，J0）點以左正、負穿越的定義。
教學難點：控制系統的相對穩定性的含意。幅數曲線變化情況和開環結構參數關
系。應用 Matlab 對系統進行頻域分析。
學時：課堂教學 16 學時，課外自主學習時間不少于學時
教學方法：講授法
主要內容：（1）頻率特性；
（2）典型環節與開環系統的頻率特性；
（3）頻率域穩定判據；
（4）穩定裕度；
（5）閉環系統的頻域性能指標；
（6）控制系統頻域設計；
課后作業：完成教材第頁習題并在下周課前提交
第六章 線性系統的校正方法
（授課時間：第五學期 10 學時）
教學目標：了解系統為什么需要校正，采用校正方式和方法的分類。并結合前面第三章、
四章、五章對系統的分析的情況來分析控制系統的基本控制規律。掌握串聯校
正中的超前校正的綜合過程，滯后校正的綜合過程以及滯后──超前校正的綜
合過程，以及按系統的期望頻率特性進行校正的綜合過程，采用反饋校正參數
的確定。Simulink 在控制系統綜合與校正的應用。
教學重點：超前校正，滯后校正，滯后──超前校正的校正網絡傳遞函數中零極點在 S 平
面上分布情況以及參數結構是怎樣對校正起作用的，串聯校正和并聯校正間的
關系。
教學難點：采用超前、滯后、滯后──超前校正對系統校正的方法和流程。
學時：課堂教學 10 學時，課外自主學習時間不少于學時
教學方法：講授法
主要內容：（1）系統的設計與校正問題；
（2）常用校正裝置及其特性；
（3）串聯校正；
（4）反饋校正；
（5）復合校正；
（6）控制系統校正設計；
學習方法：課堂講授為主，結合小組討論
課后作業：完成教材第 172 頁習題 4－1、4－3、4－4、4－20、4－23 并在下周
課前提交
實驗類課程大綱
課程名稱:自動控制原理
一、課程概況
所屬專業: 自動化 開課單位： 物理與電子信息學院
課程類型: 專業實驗課程 課程代碼: 0845250
開課學期: 5 學分： 0.5
學時： 16 核心課程: 是
擬使用教材：
自編教材《自動控制原理實驗指導書》
國內(外)現有教材：
1．吳麒主編. 自動控制原理.清華大學出版社
2．李友善主編. 自動控制原理. 國防工業出版社
3．戴忠達主編. 自動控制理論基礎.清華大學出版社
學習參考資料
1．盧京潮主編.《自動控制原理》.西北工業大學出版社
2．劉慧英主編《自動控制原理導教.導學.導考》.西北工業大學出版社
二、課程描述（300 字以內）
本課程是自動化、電子信息工程等專業的一門重要的專業基礎課。本實驗的
主要目的是使學生通過實驗加強對控制理論的理解和認識；進一步理解自動控制
系統的設計和分析方法；學會綜合應用所學的工程數學等基礎知識，電路、電力
電子、電器、微機原理、計算機通信等專業基礎知識；在計算機控制應用領域能
較熟練地進行應用系統的設計與編程。本實驗也有助于學生從自動控制工程的角
度自覺地建立系統的思維方法。
三、課程目標
熟悉各種典型算法的模擬電路的工作原理，學會獨立觀察、分析實驗現象，
記錄、測取數據并整理、繪制、分析實驗結果。
要求學生能夠計算實驗電路中的校正參數，并能正確使用校正裝置。
掌握數字仿真的基本方法及仿真軟件 MATLAB 的應用。
四、教學要求
本課程由控制系統 MATLAB 實驗等 7 組實驗構成，分為演示、驗證、綜合、
設計性等類型，授課教師將對學生進行實驗安全輔導，并按照不同類型實驗要求，
做好實驗準備工作，指導學生做好實驗方案設計、實驗報告撰寫等工作。
學生應熟悉實驗室管理相關規章制度，遵守實驗操作要求，規范使用實驗儀
器設備。積極做好實驗準備工作，預習實驗指導書中實驗原理、做好實驗設計等；
實驗過程中認真觀察、記錄，及時發現并解決問題；實驗結束后認真完成完成實
驗報告撰寫（報告格式見附件）。
五、考核方式及要求
為實現課程教學目標，本門課程考核采用平時考核、期末理論考核與實驗操
作相結合的方式進行。
平時考核用于考察學生參與課程教學的行為表現、實驗操作情況，占課程總
成績的 40%；
期末理論考核主要用于檢驗學生對于實驗原理與操作流程的熟悉程度，占課
程總成績的 30%；
實驗操作考核為學生自主設計實驗，根據實驗設計、流程安排與實驗結果進
行評分，占課程總成績的 30%。
六、課程內容
實驗一：典型環節的階躍響應
（授課時間：第 5 學期第周）
教學目標：熟悉超低頻掃描示波器的使用方法；掌握用運放組成控制系統典型環
節的電子模擬電路；測量典型環節的階躍響應曲線；通過本實驗了解
典型環節中參數的變化對輸出動態性能的影響
主要內容：觀測比例、積分、比例積分、比例微分和慣性環節的階躍響應曲線。
觀測參數變化對典型環節階躍響應的影響。
學時：學時
教學方法：演示法及現場指導
實驗類型：驗證性實驗
實驗二：二階環節的階躍響應
（授課時間：第 5 學期第周）
教學目標：熟悉有關二階系統的特性和模擬仿真方法；了解二階對象的三種阻尼
比下的響應曲線及系統穩定性。
主要內容：觀測不同參數下二階系統的階躍響應曲線。測試典型二階系統的瞬態
性能指標：超調量σ ，峰值時間 tp，調節時間 ts。觀測ξ 和ω n 對二
階系統階躍響應曲線的影響。測試二階系統在ξ 相同，ω n 不同時的
瞬態性能指標：超調量σ 和調節時間 ts，并進行比較。
學時：學時
教學方法：演示法/講授/現場指導
實驗類型：驗證性實驗
實驗三：三階環節的階躍響應
（授課時間：第 5 學期第周）
教學目標：熟悉勞斯判據，用勞斯判據對三階系統進行穩定性分析。
主要內容：觀測不同參數下三階系統的階躍響應曲線。測試典型三階系統的瞬態
性能指標：超調量σ ，峰值時間 tp，調節時間 ts。
學時：學時
教學方法：演示法及現場指導
實驗類型：驗證性實驗
實驗四：控制系統穩定性分析
（授課時間：第 5 學期第周）
教學目標：了解系統增益變化對系統穩定性的影響；觀察系統結構和穩態誤差之
間的關系。
主要內容：觀察系統的不穩定現象。觀測系統的開環增益和時間常數對穩定性的
影響。
學時：學時
教學方法：演示法及現場指導
實驗類型：驗證性實驗
實驗五：控制系統頻率特性測量
（授課時間：第 5 學期第周）
教學目標：學習頻率響應的實驗測試方法；學習用示波器測量相位差的方法；學
習根據頻率特性的實驗曲線求取傳遞函數的方法。
主要內容：測量模擬系統的開環頻率特性曲線（對數幅頻特性曲線和相頻特性曲
線）。
學時：學時
教學方法：演示法及現場指導
實驗類型：驗證性實驗
實驗六：連續系統串聯校正
（授課時間：第 5 學期第周）
教學目標：掌握系統校正的方法，根據期望的時域性能指標推導出串聯校正環節
的傳遞函數。
主要內容：觀測未校正系統的穩定性并測量未校正系統的瞬態性能指標。畫出校
正前后的 Bode 圖并求出相角穩定裕量γ 和截止頻率ω c。
學時：學時
教學方法：演示法及現場指導
實驗類型：驗證性實驗
實驗七：控制系統 MATLAB 實驗
（授課時間：第 5 學期第周）
教學目標：讓學生了解 MATLAB，學會使用 MATLAB 繪制各種特性曲線，
主要內容：記錄各種特征參數，設計串聯校正裝置，觀測校正效果。
學時：學時
教學方法：演示法及現場指導
實驗類型：綜合性實驗
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