《自动控制原理》课程标准.docx
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《自动控制原理》课程标准
《自动控制原理》课程标准
第一部分课程概述
一、课程名称
中文名称：
《自动控制原理》
英文名称：
《Automaticcontroltheory》
二、学时与适用对象
课程总计70学时，其中理论课68学时，考试2学时。
本标准适用于五年制本科生物医学工程专业。
三、课程地位、性质
《自动控制原理》是研究自动控制共同规律的技术科学，是工科高等院校电类、控制类、机械类及生物医学工程等专业的一门主干技术基础课程。
该课程的开设重在使学生掌握与自动控制原理相关的专业知识和综合应用能力，培养解决自动控制系统调试与维护方面实际问题的能力，尤其是让学员掌握与医学相关常用设备的理解、设计、改进的能力，为学习医疗卫生装备（如核磁共振、CT、超声等医疗设备）提供预备知识。
随着生产的发展和科学技术的进步，自动控制原理已广泛地应用于工农业生产、医疗卫生服务、军队卫勤保障、交通运输和宇航等领域，并成为当今倍受重视的高新技术之一。
掌握和了解自动控制的基本理论和方法，对从事生物医学工程专业的工程技术人员是很有必要的。
四、课程基本理念
自动控制原理教学应遵循的指导思想是适应于社会和军队国防建设发展需求，满足国防现代化建设对军队生物医学工程专业技术干部的基本需求。
按照第四军医大学生物医学工程专业人才培养方案的要求，体现对自动控制相关医学设备的原理理解、功能开发、维修能力的技能教育，将素质教育、创新教育思想贯穿于整个教学过程之中。
这门课程在第7学期开设，教学活动中应尊重学生的主体地位，应注意发挥学员的积极性、主动性，努力为学员创造良好的学习环境。
强调理论联系实际，鼓励大胆创新，培养一丝不苟的工作态度。
本课程的教学应把握以下几点基本原则：
一是增加对前沿和最具特色的医疗卫生装备研发、使用、推广等背景知识的介绍，激发学员对该课程的探索兴趣；二是突出从理工类专业的角度理解设备运行原理和设计思路的方法，向学员强调学好这门课必须具备数学、电子学、计算机软硬件方面坚实的知识基础，重在自动控制系统的分析与改进，体现有别于理工院校自动控制课程的强调理论探索、侧重系统设计及实现等的教学模式；三是鼓励学员查询相关资料、书籍，不要满足于仅仅了解系统原理的简单程度，强化学员的自学能力，培养获取并运用信息的能力，为今后从事医疗卫生装备的创新型革新及研制打好基础；四是注重与学员的交流、并积极引导学员之间的相互交流，培养良好协作的团队精神。
五、课程设计思路
自动控制原理课程设计方案的制定，主要依据总参军训和兵种部印发的《军队院校制定课程标准的基本要求》和《第四军医大学人才培养方案》，并且参考了国内重点大学同类课程设置的经验。
对于生物医学工程专业的自动控制原理课程，内容设置应保证知识结构的完整性和知识交代的严密性，突出知识结构之间的联系，强调工程应用在课程中的主体地位，有意识地淡化理论推导，用“提出需求、解决问题”的方法理顺各知识点之间的联系。
在本课程开设之前，学员已经具备了多门课程的先导知识。
在教学过程中，鼓励学员学习和使用MATLAB软件，对于课堂作业，通过MATLAB进行验证。
讲授中应力争多介绍自动化领域前沿成果，拓展学员的知识面，启发解决问题的思路。
在总结教学经验和研究成果的基础上，对课程目标分别从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等方面进行具体明确的阐述。
1．依据课程特点，设计教学思路
自动控制原理是研究在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行的原理及技术，数学基础要求较高，理论性很强。
因此，在发挥信息化教学特点和优势的同时，也要适当应用过去行之有效的传统教学方法，对于课程的核心内容，比如奈魁斯特稳定判据等提倡使用板书等进行逐步推导，体现自动控制理论的严密性和科学性，教学效果可能会更好一些。
2．强调学科结合，注重医学应用
该课程的教学本身将对医学其他课程的改革起着积极地推动和促进作用。
应强调以医学应用为主，特别是以军事医学应用为主。
在教学中充分注意医科大学生的知识结构和思维特点，通过教学演示、使学生体验并逐步掌握自动控制原理的基本思想、分析问题的方法，提高该门课程在医疗活动中的应用能力。
3．充分利用现代化教学手段
自动控制原理课程内容涉及数学、电子、机械学等多门学科知识，理论性强，与工程结合密切。
课程以系统动态过程为研究对象，内容比较抽象，因此教学设计上既要注意概念和理论内涵的介绍，又要注重工程上的分析和设计方法。
由于动态过程比较抽象，讲授时要充分利用现代化教学手段将抽象的动态过程形象化。
4．以人为本,因材施教
教学过程中注意根据学生的实际程度，采用因材施教的方法，充分体现以人为本的教学理念。
讲授中着重讲概念、讲方法，提倡学生自主学习，采用讨论的形式，开展研究性学习。
根据内容和要求，通过自控原理的学习，弄懂基本概念、掌握系统分析与设计方法，为后续课程的学习和今后的工作打下良好的基础。
第二部分课程目标
一、总体目标
通过对《自动控制原理》的学习，使学员理解和掌握现代自动控制原理的基本理论、基本知识和基本技能，了解自动控制原理的发展现状。
注重控制理论教学、实践的连续性，在课程教学的基础上，结合科研项目，介绍实际运用控制理论解决工程问题的思想和方法，启发引导学生灵活自如地运用所学知识分析解决实际问题，为专业课的学习和进一步深造打下必要的理论基础，掌握必要的基本技能。
二、分类目标
（一）知识与技能目标
（1）熟练掌握积分变换、概率论等数学工具；
（2）理解反馈控制系统的基本原理；
（3）理解根轨迹和相轨迹的概念，能够根据轨迹分析系统性能随参数变化的趋势，掌握反馈校正、复合校正和根轨迹校正的一般方法；
（二）过程与方法目标
（1）充分利用学校的电化教学环境，制作电子课件，PPT、计算机辅助教学软件、Matlab仿真工具等多种形式进行教学，发挥多媒体手段的优势。
（2）通过课外学习、自行查阅参考资料，解决课堂上的疑难问题；
（3）参与对困难问题的小组讨论，培养团队协作的能力；
（4）采用网络化教学，已建成自动控制原理课程的教学网站，将多种资源集成在网站的教学资源中，学生可以从网上获取课程学习的相关信息，方便学生自主学习。
（5）到临床医疗仪器的应用第一线，从自动控制原理角度，了解典型实际控制系统的组成、结构以及工作情况，增加感性认识，加深对自动控制理论的理解。
（三）情感态度与价值观目标
（1）认同自动控制原理在军队卫勤建设和生物医学工程本科专业中的重要地位；
（2）接受自动控制原理在军事装备中得到广泛应用，在医疗卫生装备中也起着核心的支持作用的观点；
（3）关注网络技术、计算机技术与电子技术的发展对于推动自动控制发展的创新方法、创新思想；
（4）体会微分方程、复变函数、积分变换等数学知识对于自动控制原理的基础地位，以及与生物医学工程专业技术干部素质的关系；
（5）遵守现代自动控制原理服务于人类健康和国防建设的职业和道德原则，抵制一切损害国家利益和伤害人民群众身体健康的违法行为；
（6）具有大胆探索、勇于创新、积极交流、密切协作的精神，善于在医学与自动控制原理的结合上寻找创新的突破点；
（7）养成积极思考的习惯，具有独立通过网络获取学习信息的能力。
第三部分内容标准
一、教学内容与课时分配
篇、章
教学内容
学时分配
理论
实验
小计
第一章
自动控制系统的基本概念
4
4
第二章
自动控制系统的数学模型
10
10
第三章
自动控制系统的时域分析
14
14
第四章
根轨迹法
8
8
第五章
频率响应法
16
16
第六章
用频率法校正系统
16
16
考试
合计
2
70
2
70
二、内容要点与基本要求
【说明】教学内容划分为三级，即核心内容、重点内容、一般内容。
核心内容构成课程的主体框架，是教员必须在课堂上讲深讲透、学员必须掌握的内容；重点内容是核心内容的延伸和丰富，教员在课堂上可以少讲，但必须指导学员学习并熟悉的内容；一般内容指教员可以不讲，但学员必须通过自主学习并了解的内容。
第一章自动控制系统的基本概念
基本要求：
了解：
自动控制系统的基本组成及分类。
理解：
自动控制系统的基本任务、按偏差调节的闭式控制
掌握：
控制的基本方式；开环控制，闭环（反馈）控制；负反馈控制原理，对自动控制系统的基本要求
重点：
开环控制和闭环（反馈）控制的基本原理
难点：
负反馈控制的基本原理
[学时分配]４学时
主要内容
教学要求
教学方法与手段
了解
理解
掌握
1.1自动控制的基本原理与方式
方法：
讲授法、信息化教学
手段：
电子幻灯
1、按给定值操纵的开式控制
√
2、按干扰补偿的开式控制
√
3、按偏差调节的闭式控制
√
1.2自动控制系统的组成及分类
1、自动控制系统的组成
√
2、自动控制系统的分类
√
1.3对自动控制系统的基本要求
√
第二章自动控制系统的数学模型
基本要求：
了解：
建立自动控制系统的数学模型的基本要求；非线性系统（元件）的线性化
理解：
动态（微分）方程线性化的基本规律；拉氏变换法及线性微分方程求解
掌握：
动态（微分）方程的建立；线性系统的传递函数；系统结构图的建立及其等效变换；自动控制系统的传递函数；
重点：
系统结构图的建立及其等效变换；线性系统及典型元部件的传递函数
难点：
动态（微分）方程的建立；结构图的等效变换
[学时分配]10学时
主要内容
教学要求
教学方法与手段
了解
理解
掌握
2-1控制系统的数学模型
√
方法：
讲授法、信息化教学
手段：
电子幻灯
2.2线性系统的微分方程
√
1、建立系统或元件的微分方程的步骤
√
2、线性系统的特点
√
3、非线性系统（元件）的线性化
√
4拉氏变换法及线性微分方程求解
√
5运动的模态
√
2-3控制系统的复域数学模型
1、传递函数的定义和性质
√
2、传递函数的一般形式
√
3、传递函数的性质
√
4典型环节及其传递函数
√
2.4控制系统的结构图与信号流图
1、结构图的组成
√
2、建立结构图的方法
√
3、结构图的等效变换
√
2.5反馈控制系统的传递函数
1、闭环系统的典型结构
√
2、开环传递函数
√
3、输入信号下的闭环传递函数
√
4、扰动作用下的闭环传递函数
√
5、系统的总输出
√
6、闭环系统的误差传递函数
√
7、系统的总误差
√
第三章自动控制系统的时域分析
基本要求：
了解：
稳定性的概念和充要条件；改善二阶系统响应特性的措施；高阶系统动态性能估算
理解：
时域分析与校正的基本概念；系统的典型响应及性能指标；动态性能与稳态性能，误差、稳态误差的概念
掌握：
系统特征参数、闭环零点、极点分布对系统动态性能的影响；一、二阶系统的动态性能计算；计算稳态误差的一般方法及干扰作用下的稳态误差分析；反馈校正、复合校正的概念及方法；稳定判据
重点：
误差、稳态误差的计算方法
难点：
比较一、二阶系统的动态性能计算方法；静态误差系数法的应用
[学时分配]1４时
主要内容
教学要求
教学方法与手段
了解
理解
掌握
3.1线性系统时间响应的性能指标
方法：
讲授法、信息化教学
手段：
电子幻灯、网络课程
1、典型初始状态
√
2、典型输入信号
√
3、典型时间响应
√
4动态性能与稳态性能
√
3.2一阶系统的时域分析
1、一阶系统的数学模型
√
2、一阶系统的响应
√
3.3二阶系统的时域分析
1、典型二阶系统的数学模型
√
2、二阶系统的单位阶跃响应
√
3、二阶系统性能的讨论
√
4、改善二阶系统响应特性的措施
√
5、具有零点的二阶系统分析
√
3.4高阶系统的时域分析
1、高阶系统的阶跃响应
√
2、闭环主导极点和偶极子
√
3、高阶系统动态性能估算
√
4、高阶系统的时域分析小结
√
3.5线性系统的稳定性分析
1、线性系统的稳定性概念
√
2、稳定的概念和定义
√
3、线性系统稳定的数学条件
√
4、稳定判据
√
3.6线性系统的稳态误差计算
1、误差与稳态误差
√
2、系统类型
√
3、单位阶跃信号作用下系统的稳态误差
√
4、单位斜坡信号作用下系统的稳态
误差
√
5、单位加速度信号作用下系统的稳态误差
√
6、动态误差系数
√
7、扰动作用下的稳态误差
√
8、减小或消除稳态误差的措施
√
3.7顺馈控制的误差分析
1、顺馈补偿
√
2、复合控制系统的误差和稳定性分析
√
第四章根轨迹法
基本要求：
了解：
根轨迹的概念；时滞系统的根轨迹；在根轨迹上确定特征根
理解：
根轨迹方程及相角条件、模（幅）值条件；利用闭环主导极点估算系统的性能指标；利用根轨迹法设计控制系统
掌握：
绘制常规根轨迹的基本法则；利用根轨迹定性分析系统性能；参数根轨迹和零度根轨迹
重点：
利用根轨迹定性分析系统性能的基本方法
难点：
绘制常规根轨迹的基本法则；参数根轨迹和零度根轨迹的基本概念及应用
[学时分配]８时
主要内容
教学要求
教学方法与手段
了解
理解
掌握
4.1根轨迹方程
√
方法：
讲授法、信息化教学
手段：
电子幻灯
4.2根轨迹绘制的基本准则
√
4.3广义根轨迹
1、Kg以外的参数变化时的闭环根轨迹
√
2、零度根轨迹
√
3、时滞系统的根轨迹
√
4.4利用根轨迹分析系统性能
1、在根轨迹上确定特征根
√
2、利用闭环主导极点估算系统的性能指标
√
3、开环零、极点分布对系统性能的影响
√
4、偶极子对系统性能的影响
√
4.5利用根轨迹法设计控制系统
1、性能指标
√
2、常用的校正装置
√
3、根轨迹法校正
√
第五章频域响应法
基本要求：
了解：
频率响应及频率特性的概念；最小相位（角）系统和非最小相位（角）系统；闭环频率特性
理解：
幅角定理；幅相频率特性和对数频率特性；开环对数频率特性与系统稳态性能、动态性能的关系；开环频域指标（稳定裕度）与时域指标之间的关系
掌握：
典型环节和系统开环频率特性：
奈奎斯特稳定判据、对数频率稳定判据及其应用；最小相位系统的奈氏判据；稳定裕度（量）的概念及计算
重点：
典型环节和系统开环频率特性的描述
难点：
稳定裕度的计算方法
[学时分配]1６学时
主要内容
教学要求
教学方法与手段
了解
理解
掌握
5.1频率特性的基本概念
√
方法：
讲授法、信息化教学
手段：
电子幻灯、网络课程
5.2频率特性表示方法
1、极坐标频率特性曲线
√
2、对数频率特性曲线
√
3对数幅相特性曲线
√
5.3典型开环的系统频率特性
1、对数频率特性曲线
√
2、极坐标频率特性曲线
√
5.4开环系统频率特性的绘制
1、开环系统极坐标频率特性的绘制
√
2、开环系统对数坐标频率特性的绘制
√
3、非最小相位系统的频率特性
√
5.5奈魁斯特稳定判据
1、幅角定理
√
2、奈魁斯特稳定判据
√
3、奈魁斯特稳定判据在Ⅰ、Ⅱ型系统中的应用
√
4、在对数坐标图上判断系统的稳定性
√
5、最小相位系统的奈氏判据
√
6、稳定裕度
√
5.6用开环频率特性分析系统的时域性能
√
1、伯德定理简介
√
2、开环对数频率特性频段的划分
√
3、低频段及放大系数对于系统时域指标的影响
√
4、中频段与系统时域性能之间的关系
√
5、开环频率特性的高频段对系统性能的影响
√
5.7闭环频率特性
1、闭环系统频率特性的性能指标
√
2、闭环系统频率特性与开环系统频率特性的关系
√
3、闭环系统等M圆、等θ圆及尼氏图
√
4、非单位反馈系统的闭环频率特性
√
5.8系统暂态特性和闭环频率特性的关系
√
第六章用频率法校正系统
基本要求：
了解：
校正作用；校正方式
理解：
开环对数频率特性与系统稳态性能、动态性能的关系；开环频域指标（稳定裕度）与时域指标之间的关系
掌握：
无源校正网络；频率法串联（超前，迟后，迟后-超前）校正的作用及方法；扰动补偿的复合控制
重点：
典型环节和系统开环频率特性的描述
难点：
频率法串联校正的基本方法及应用
[学时分配]1６学时
主要内容
教学要求
教学方法与手段
了解
理解
掌握
6.1引言
方法：
讲授法、信息化教学
手段：
电子幻灯、网络课程
1、性能指标
√
2、校正的作用
√
3、校正方式
√
4、基本控制规律
√
6.2常用校正装置及其特性
1、无源校正网络
√
2、有源校正装置
√
6.3频率响应法校正
1、串联超前校正
√
2、串联迟后校正
√
3、串联迟后-超前校正
√
6.4复合控制校正
1、扰动补偿的复合控制
√
2、输入补偿的复合控制系统
√
（二）实验课
本课程未开设实验课，主要通过介绍和学员自学Matlab，初步掌握运用Matlab进行控制系统辅助分析设计的基本技能。
第四部分实施建议
一、课程教学实施建议
（一）教学组织
课程教学由教研（科）室主任负总责，教学组长负责具体的组织与实施。
基本流程包括：
①成立教学组，②教学准备，③课程教学，④辅导答疑，⑤课程考核，⑥总结反馈。
建议每周安排2次课，即4学时。
（二）教学方法
本门教学中应注意理论与实践的结合，加强课前、课后的答疑辅导，注意学员能力的培养。
1．开展“案例驱动”的教学方式（CaseBasedStudy，CBS）
该课程要充分体现教学内容在训练和提高学生自动控制应用能力方面的意图。
建议在该课程的部分章节采用以“案例驱动”为引导的课堂讨论式教学，通过案例引导和教师指导下的课堂讨论、资料查询、自学等方式启发学生分析、讨论有关自动控制应用中的问题，学习自动控制知识。
2．倡导以问题为中心的教学方式（ProblemBasedLecture，PBL）
传统的“以教师为主，以讲课为主，以传授知识为主”的教育模式正在改变，建议适当开展以学生为主体的小组讨论式的方法，强调从提出问题人手，激发学生学习的兴趣，让学生有针对性地去探索并运用自动控制知识，提高分析和解决问题的能力。
从而使该课程做到“授人以鱼，更要教人以渔”，真正使该门课程对于学生的终身学习和主动应用发挥至关重要的基础作用。
二、课程考核评价建议
（一）教员授课质量评价
对课程考核结果进行评价，可准确反映教学质量的水平，而反映教学质量的重要指标就是教师的教学能力，建立教师授课质量评价体系，可从学生评价、同行评价和教学管理部门评价等进行“三位一体”的总体评估。
评价的指标主要包括：
课堂内容融会贯通，讲解精炼；理论联系实际，易于理解；层次分明，重点突出，不照本宣科；重点、难点内容讲深讲透；板书整齐有条理，注重现代教育的应用；普通话授课，语言生动，快慢适中；熟练应用专业外语词汇，注重双语教学；启发式教学，调动学生积极思维；教学内容丰富，反映自动控制原理的新进展。
（二）学员课程学业考核
1、本门课程是一门考试课，评价依据是本课程标准规定的课程目标、教学内容和要求。
2、闭卷考试时间：
120～180分钟。
3、考试方式、分制与解释
理论成绩的综合评价采用闭卷、笔试的方式，以百分制评分，60分为及格，满分为100分，占总评成绩的100％
4、试题类型及权重
选择题10%～20%、判断题10%～20% 计算题70%～80%。
5、样题与目标定位示例
（1）选择题（单项选择）：
（考核学生对知识的识别程度）
例 虽然增加系统开环传递函数的个数，可以提高系统的无差度，
但积分环节的个数一般不超过两个，原因在于（）：
（a）不利于减小系统的静态误差；
（b）当积分环节超过两个时，积分环节将不再起作用；
（c）当积分环节超过两个时，物理上无法实现；、
（d）增加积分环节将影响系统的稳定性。
（２）判断题（单项选择）：
（考核学生对奈奎斯特定律掌握程度）
例 设系统的开环频率特性如图所示，试判定系统稳定性，其中P为S右半
平面的开环极点的个数。
ImImIm
ω=∞
-1
-1
ω=0
ω=∞
-1
ω=∞
ReReRe
（a）P=1（b）P=0（c）P=2
ImIm
ω=0-
ω=0
ω=-∞
ReRe
-1-1ω=∞
（d）P=2（e）P=1
（３）计算题（着重考查学生对知识的掌握和综合应用能力）
例 设控制系统如图6所示,当k=10时，作出系统的开环Bode图，试求系统的相位稳定裕度，判定系统是否稳定？
-
三 教材选编建议
教材选择杨自厚主编的《自动控制原理》。
本书阐述了经典控制理论的基本概念、原理和自动控制系统的各种分析方法，主要内容包括线性连续系统与离散系统的时域和频域理论，如系统的动态性能、静态性能、稳定性的分析和各种设计方法的运用等。
本书从基本概念、基本分析方法入手，结合生产和生活中的实例，以时域分析方法为主线，时域分析和频域分析并进，在严谨的数学推导的基础上，利用直观的物理概念，引出系统参数与系统指标之间的内在联系。
本书在《自动控制原理》前四版基础上，对各章内容都进行了修订。
修订的基本思想是更新观念，深化改革，提高知识起点，努力拓宽专业口径，以增强培养人才的适应
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