高纲1579
江苏省高等教育自学考试大纲
08315 控制工程基础
南京理工大学编
江苏省高等教育自学考试委员会办公室
Ⅰ 课程性质与课程目标
一、课程性质和特点
《控制工程基础》课程是江苏省高等教育自学考试电子工程专业本科段的必修的专业基础课，该课程是电子工程专业课程体系中的骨干课程之一。
控制工程基础知识在各个领域都有着广泛的应用，如航空航天系统、现代交通运输系统、管理决策系统、生产控制系统、机械控制系统、国防武器系统等等，是人们开发、利用信息传递以支持组织自动化生产，开发自动控制设备，是一门能极大地促进现代社会组织的变革、推进社会现代化进程、提高组织自身素质与竞争能力的科学。
随着自动控制技术不断发展，自动控制技术这支利剑必须切实瞄准各行各业的业务需求这个目标，做到有的放矢，才能真正发挥作用。控制工程基础这门课程的任务就是利用自动控制的理论及思想，结合具体实际情况，帮助学生掌握分析控制系统的性能及设计控制器的基本方法，从而提高学生理论水平，锻炼他们进行系统开发的能力，为将来从事实际工作奠定坚实的基础。
《控制工程基础》是一门系统性很强的应用型课程，是以讲解控制系统分析、设计及提高系统性能为主要内容，引导学生利用应用数学、力学、电子工程学等知识，不断深入理解控制工程相关知识、灵活运用知识的一门科学。课程具有较强的理论性，学生通过具体的机械及电子控制系统的专门学习，在树立清晰的系统意识的基础上，掌握控制系统性能分析与系统设计的基本方法。通过本课程的学习，学生不仅可以增强自学能力和独立研究能力，而且提高自身的开发能力，成为具备较强的研究能力、创新能力和驾驭现代化控制技术能力的复合型人才。
二、课程目标
通过本课程的学习，应达到如下要求：
1．以机械运动作为主要控制对象，重点掌握数学模型及分析的基本思想和方法。熟练掌握典型系统（特别是一阶系统、二阶系统）的时域和频域特性；
2．重点掌握线性系统的性能指标的定义及意义，以及相应的求取思想和基本方法；
3．重点掌握自动控制系统的稳定性的概念和常用的判定方法，能熟练应用基本的判定方法判别系统的稳定性；
4．熟练掌握在典型输入信号作用下，系统的响应；
5．熟练掌握控制系统建模的基本方法及模型简化的基本手段；
6．掌握控制系统传递函数的概念，深刻理解传递函数性质及物理意义；
7．掌握控制系统的设计思想和基本的方法；
8．对基本的校正装置的作用有所了解。
三、与相关课程的联系与区别
本课程的前修课程是高等数学、力学、电工、电子线路等，须具备有一定的电子工程基础知识，以便能顺利掌握机械系统、电子工程中的数学模型的建立以及所需的运算工具。
四、课程的重点和难点
第1章 重点和难点：
1. 控制系统的基本概念的准确把握；
2. 控制系统的基本组成与实例各部件的对应关系；
3. 控制系统的基本要求的意义；
4. 实际系统中控制系统的作用。
第2章 重点和难点：
1. 数学模型的建立方法；
2. 拉氏变换和反变换的计算；
3. 传递函数的准确定义及求取方法；
4. 实际物理系统方块图的建立；
5. 方块图的化简方法；
6. 误差传递函数、前向通道传递函数、闭环传递函数、反馈通道传递函数和开环传递函 数的概念及准确计算。
第3章 重点和难点：
1. 控制系统在单位脉冲、阶跃、速度、加速度信号作用下响应的求取方法；
2. 欠阻尼系统的动态性能指标的求取；
3. 阻尼系数与各项性能指标的关系；
4. 二阶系统的传递函数及其无阻尼自然频率、有阻尼自然频率和阻尼比的计算。
第4章 重点和难点：
1. 频率特性函数的定义及其物理意义；
2. 频率特性的对数坐标图和极坐标图的概略绘制方法；
3. 系统极坐标图的特殊点计算及型次、阶次及零、极点位置对极坐标图的影响；
4. 频域性能指标及计算方法；
5. 最小相位系统的定义及意义。
第5章 重点和难点：
1. 系统稳定性分析的意义；
2. 系统稳定的必要条件、充要条件；
3. 判定闭环系统稳定性的时域、频域的方法；
4. 使控制系统稳定的某些待定参数的求取方法及其计算；
5. 稳定裕量的物理意义及计算方法；
6. 伯德图图形与系统参数相互关系。
第6章 重点和难点：
1. 稳态误差的定义及计算方法；
2. 静态误差系数的定义及与系统误差的概念；
3. 减小系统误差的分析方法。
第7章 重点和难点：
1. 系统校正的意义；
2. 串联校正及反馈校正的原理；
3.PID 校正的意义及方法；
4. 相位超前校正、相位滞后校正的特点。
Ⅱ 考核目标
本大纲在考核目标中，按照领会、掌握、熟练掌握三个层次要求考生，三个能力层次是递进关系，各能力层次分别表示：
1. 领会：知晓本课程中有关的名词、概念、知识的意义，并能正确认识和表达，这是最低层次的要求。
2. 掌握：在领会的基础上，能全面理解《控制工程基础》中提出的基本概念、原理、方法，回答一些基本的问题，并能对各种概念、原理、方法进行联系和区别，这是较高层次的要求。
3. 熟练掌握：在领会和掌握的基础上，能运用基本概念、原理与方法进行控制系统分析过程中各个阶段工作，同时能用各种图、表、文字、数据正确地表述、完整地表达自己对某实际系统进行分析与设计的思路与过程，这是最高层次的要求，也是本课程的重点内容。
4．其中打*的部分，自学考试大纲不做要求。
Ⅲ 课程内容与考核要求
第1章 概论
一、学习目的与要求
通过本章的学习使学生走进控制工程领域，了解控制理论在工程中的应用发展现状，了解自动控制理论在机械制造工业中的一些具体应用，了解本课程学习的知识结构和安排，掌握控制系统的基本概念。
二、课程内容
本章主要介绍了控制理论发展过程及在工程上的应用；自动控制系统的基本概念；控制理论在机械制造工业中的应用；课程的整体安排。
三、考核知识点与考核要求
（一）领会控制理论的发展过程，及在发展各阶段的主要特点
（二）熟练掌握自动控制系统的基本概念：
1．自动控制系统的工作原理
2. 开环控制
3. 闭环控制
4. 反馈控制系统基本组成及组成的元件
5. 自动控制系统的基本类型
6. 对控制系统的基本要求
（三）领会控制理论在机械制造工业中的应用：
1. 离心调速器
2. 机器人关节司服系统
3. 三坐标数控机床
4. 六自由度工业机器人
5. 感应导线式自动导引车
6. 柔性制造系统
（四）掌握本课程的基本要求
四、本章的重点和难点
1. 控制系统的基本概念的准确把握
2. 控制系统的基本组成与实例各部件的对应关系
3. 控制系统的基本要求的意义
4. 实际系统中控制系统的作用
第2章 控制系统的动态数学模型
一、学习目的与要求
通过本章学习明确为了分析、研究机械电子工程系统的动态特性，或对它们进行控制，最重要的一步首先是建立系统的数学模型，明确数学模型的含义，掌握采用解析方法建立一些简单机、电系统的数学模型。
明确拉普拉斯（简称拉氏）变换是分析研究线性动态系统的有力工具，通过拉氏变换将时域的微分方程变换为复数域的代数方程，掌握拉氏变换的定义，用定义求常用函数的拉氏变换，会查拉氏变换表，掌握拉氏变换的重要性质及其应用，掌握用部分分式法求拉氏变换的方法以及了解用拉氏变换求解线性微分方程的方法。
掌握传递函数定义、特点及推导方法，方块图及其简化法则。了解信号流程图及梅逊公式的应用，以及数学模型、传递函数、方块图和信号流程图之间的关系。
二、课程内容
本章主要介绍：
（一）基本环节的数学模型
1．质量——弹簧——阻尼系统
应用牛顿第二定律建立质量——弹簧——阻尼系统的运动微分方程
2．电路网络
应用基尔霍夫定律和区姆定律建立电路网络系统的微分方程
3．电动机
应用力学、电学方面定律建立电枢控制式直流电动机的数学模型
（二）数学模型的线性化
1．各类非线性现象
2．系统线性化处理的方法
（三）拉氏变换及反变换
1．拉氏变换定义
2．简单函数的拉氏变换
（1）单位阶跃函数
（2）指数函数
（3）正弦函数和余弦函数
（4）幂函数
3．拉氏变换的性质
（1）叠加原理
（2）微分定理
（3）积分定理
（4）衰减定理
（5）延时定理
（6）初值定理
（7）终值定理
（8）时间比例尺改变的象函数
（9）tx(t)的象函数
（10）x(t)/t的拉氏变换
（11）周期函数的象函数
（12）卷积分的象函数
4．拉氏反变换
（1）只含不同单极点的情况
（2）含共轭复数极点的情况
（3）含多重极点的情况
5．用拉氏变换解常系数线性微分方程
（四） 传递函数以及典型环节的传递函数
1．比例环节
2．一阶惯性环节
3．微分环节
（1）理想微分环节
（2）近似微分环节
4．积分环节
5．二阶振荡环节
（五）系统函数方块图及其简化
1．系统方块图的基本单元
2．比较点
3．引出点
4．串联
5．并联
6．反馈
7．系统方块图变换法则
8．系统方块图简化
（六）系统信号流图及梅逊公式
1．信号流图的表示方法
2．梅逊公式
（七）受控机械对象数学模型
1．高谐振频率
2．高刚度
3．适当阻尼
4．低转动惯量
（八）绘制实际物理系统的函数方块图
1．各种典型机械系统的传递函数
2．各种电网络及电气系统的传递函数
*（九）控制系统数学模型的MA TLAB 实现
*（十）状态空间方程基本概念
三、考核知识点与考核要求
（一）数学模型的概念
1．熟练掌握数学模型的含义
2．熟练掌握线性系统含义及其最重要的特征——可以运用叠加原理
3．熟练掌握线性定常系统和线性时变系统的点义
4．领会非线性系统的定义及其线性化方法
（二）系统微分方程的建立
1. 掌握对于机械系统运用牛顿第二定律建立运动微分方程式
2. 掌握对于电气系统运用基尔霍夫定律建立微分方程式
（三）熟练掌握拉氏变换与拉氏反变换定义
（四）熟练掌握典型时间函数的拉氏变换
1. 单位阶跃函数的拉氏变换
2. 指数函数的拉氏变换
3. 正弦函数和余弦函数的拉氏变换
4. 幂函数的拉氏变换
（五）掌握拉氏变换的性质
1. 熟练掌握叠加原理
2. 熟练掌握微分定理
3. 熟练掌握积分定理
4. 衰减定理
5. 延时定理
6. 熟练掌握初值定理
7. 熟练掌握终值定理
8. 时间比例尺改变的象函数
9.tx(t)的象函数
10.x(t)/t的拉氏变换
11. 周期函数的象函数
12. 卷积分的象函数
（六）掌握拉氏反变换
1. 拉氏反变换
2. 拉氏反变换的部分分式法：无重极点和有重极点的情况
（七）熟练掌握用拉氏变换解常微分方程
（八）熟练掌握传递函数
1. 传递函数的定义
2. 传递函数的主要特点
（九）熟练掌握方块图及系统的构成
1. 方块图表示方法及其构成
2. 系统的构成
（1）串联环节的构成及计算
（2）并联环节的构成及计算
（3）反馈环节的构成及计算
（4）误差传递函数、前向通道传递函数、闭环传递函数、反馈通道传递函数和开环传递函数的定义及计算
3. 方块图的简化
4. 画系统方块图及求传递函数步骤
（十）掌握信号流图与梅逊公式
1. 信号流图表示方法及其成
2. 信号流统与方块图之间的关系
3. 梅逊公式的应用
（十一）掌握受控机械对象的数学模型
1. 高谐振频率
2. 高刚度
3. 适当阻尼
4. 低转动惯量
（十二）掌握实际物理系统的传递函数方块图
1. 各种机械系统的传递函数
2. 各种电网络及电气系统的传递函数
四、本章的重点和难点
1. 数学模型的建立方法
2. 拉氏变换和反变换的计算
3. 传递函数的准确定义及求取方法
4. 实际物理系统方块图的建立方法
5. 方块图的化简方法
6. 误差传递函数、前向通道传递函数、闭环传递函数、反馈通道传递函数和开环传递函数的概念及准确计算
第3章 时域瞬态响应分析
一、学习目的与要求
通过本章学习，明确一个系统在建立了系统的数学模型（包括微分方程和传递函数）之后，就可以采用不同的方法来分析和研究系统的动态性能，时域分析是重要的方法之一。明确系统在外加作用激励下，根据所描述系统的数学模型，求出系统的输出量随时间变化的规律，并由此确定系统的性能，明确系统的时间响应及其组成，脉冲响应函数的概念，掌握一阶、二阶系统的典型时间响应和高阶系统的时间响应以及主导极点的概念。
二、课程内容
（一）时域响应以及典型输入信号
1. 时域响应的含义
（1）瞬态响应的含义
（2）稳态响应当含义
2. 典型输入信号的概念
（1）选择典型输入信号的好处
（2）常见的典型输入信号
阶跃函数、斜坡函数、加速度函数、脉冲函数、正弦函数
（二）一阶系统的瞬态响应
1. 一阶系统的单位阶跃响应
2. 一阶系统的单位斜坡响应
3. 一阶系统的单位脉冲响应
（三）二阶系统的瞬态响应
1. 二阶系统的单位阶跃响应
（1）欠阻尼情况
（2）临界阻尼情况
（3）过阻尼情况
（4）零阻尼情况
（5）负阻尼情况
2. 二阶系统的单位脉冲响应
（1）欠阻尼情况
（2）临界阻尼情况
（3）过阻尼情况
3. 二阶系统的单位斜坡响应
（1）欠阻尼情况
（2）临界阻尼情况
（3）过阻尼情况
（四）时域分析性能指标
1. 瞬态响应性能指标包括
2. 上升时间
3. 峰值时间
4. 最大超调量
5. 调整时间
（五）高阶系统的瞬间响应
1. 主导极点的概念
2. 偶极子的概念
*（六）借助MATLAB 进行系统时间响应分析
（七）机电系统时域瞬态响应的实验方法
三、考核知识点与考核要求
（一）熟练掌握时间响应
1. 时间响应的概念
2. 瞬态响应和稳态响应的定义
（二）熟练掌握脉冲响应函数
1. 脉冲响应函数的定义
2. 脉冲响应函数与传递函数的关系
3. 如何利用脉冲响应函数求系统在任意输入下的响应
（三）熟练掌握一阶系统的时间响应
1. 一阶系统的传递函数及其增益和时间常数的计算
2. 一阶系统的单位脉冲响应函数的计算
3. 一阶系统的单位阶跃响应函数的计算
4. 一阶系统的单位斜坡响应函数的计算
（四）二阶系统的时间响应
1. 熟练掌握二阶系统的传递函数及其无阻尼自然频率、有阻尼自然频率和阻尼比的计算
2. 熟练掌握二阶系统特征方程
3. 熟练掌握二阶系统特征方程根的分布
4. 熟练掌握欠阻尼下的单位阶跃响应计算
5. 掌握临界阻尼下的单位阶跃响应
6. 掌握过阻尼下的单位阶跃响应
7. 掌握阻尼比、无阻尼自然频率与响应曲线的关系
8. 掌握不同阻尼比下的单位脉冲响应
（五）领会高阶系统的时间响应
1. 主导极点的概念及其与时间响应的关系
2. 偶极子的概念
（六）瞬态响应的性能指标
1. 熟练掌握瞬态响应的性能指标定义
2. 熟练掌握二阶系统的瞬态响应指标的计算
3. 掌握二阶系统的阻尼比、无阻尼自然频率与各性能指标间的关系
四、本章的重点和难点
1. 控制系统在单位脉冲、阶跃、速度、加速度信号作用下响应的求取方法
2. 欠阻尼系统的动态性能指标的求取
3. 阻尼系数与各项性能指标的关系
4. 二阶系统的传递函数及其无阻尼自然频率、有阻尼自然频率和阻尼比的计算
第4章 控制系统的频率特性
一、学习目的与要求
通过本章学习，明确频率特性的基本概念，频率特性与传递函数的关系，系统动刚度的概念，掌握频率特性的两种表示方法以及频率特性与时间响应的关系，各基本环节及系统的极坐标图和伯德图的画法，闭环频率特性及相应的性能指标，为频域分析系统的稳定性以及综合校正打下基础。
二、课程内容
（一）机电系统频率特性的概念及其基本实验方法
1. 频率特性概述
2. 频率特性的实验求取
（二）极坐标图
1. 曲型环节的乃氏图
（1）比例环节
（2）积分环节
（3）微分环节
（4）一阶惯性环节
（5）二阶振荡环节
（6）延迟环节
2. 乃氏图的一般作图方法
（三）对数坐标图
1. 典型环节的伯德图
（1）放大环节
（2）积分环节
（3）一阶惯性环节
（4）一阶微分环节
（5）二阶振荡环节
（6）延迟环节
2. 一般系统伯德图的作图方法
3. 最小相位系统
（1）最小相位系统定义
（2）非最小相位系统概念
（四）由频率特性曲线求系统的传递函数
（五）由单位脉冲响应求系统频率特性
*（六）对数幅相特性图
（七）控制系统的闭环频响
1. 由开环频率特性估计闭环频率特性
2. 系统频域指标
（1）开环频域指标；
（2）闭环频域指标。
（八）机械系统动刚度概念
*（九）借助MATLAB 进行控制系统的频率响应分析
三、考核知识点与考核要求
（一）熟练掌握频率特性
1. 频率特性的定义
2. 频率特性与传递函数的关系
3. 系统动刚度概念
4. 传递函数、频率特性和时间的关系
5. 频率特性的对数坐标图和极坐标图的表示方法
（二）熟练掌握频率特性的对数坐标图
1. 对数坐标图的组成及特点
2. 各种典型环节的伯德图近似画法及相应的误差计算
3. 绘制伯德图的一般步骤和方法
（三）熟练掌握频率特性的极坐标图
1. 极坐标图的表示方法及特点
2. 各种典型环节的极坐标图的画法及特点
3. 系统极坐标图的一般画法及特殊点计算方法
4. 系统的型次、阶次及零、极点位置对极坐标图的影响
（四）熟练掌握闭环频率特性与频域性能指标
1. 系统闭环频率特性概念及其计算方法
2. 频域性能指标及计算方法
（五）熟练掌握最小相位系统的概念
1. 最小相位系统的定义
2. 非最小相位系统中，当零、极点分布在s 的右半平面时，与系统频率特性的关系
四、本章的重点和难点
1. 频率特性函数的定义及其物理意义
2. 频率特性的对数坐标图和极坐标图的概略绘制方法
3. 系统极坐标图的特殊点计算及型次、阶次及零、极点位置对极坐标图的影响
4. 频域性能指标及计算方法
5. 最小相位系统的定义及意义
第5章 控制系统的稳定性分析
一、学习目的与要求
通过本章学习明确稳定性的概念，掌握判别系统稳定性的基本准则，掌握劳斯-赫尔维茨稳定判据和乃奎斯特稳定判据以及相对稳定性的概念。
二、课程内容
（一）系统稳定性的基本概念
（二）系统稳定的充要条件
（三）代数稳定性判据
1. 劳斯稳定性判据
（四）乃奎斯特稳定性判据
1. 米哈伊洛夫定理
2. 乃奎斯特稳定性判据
3. 乃奎斯特稳定性判据的另一表述
*4.应用逆Nyguist 图的Nyguist 稳定判据
（五）应用乃奎斯特判据分析延时系统的稳定性
1. 延时环节并联在闭环系统前向通道中时的系统稳定性
*2.延时环节并联在闭环系统前向通道中时的系统稳定性
（六）由伯德图判断系统的稳定性
（七）控制系统的相对稳定性
1. 相位裕量v
2. 幅值裕量kg
*（八）借助MATLAB 分析系统稳定性
三、考核知识点与考核要求
（一）熟练掌握稳定性
1. 稳定性概念
2. 判别稳定性的基本准则，即系统稳定性的必要和充分条件
3. 判别稳定性的基本方法，直接计算特征根和判别特征根在S 平面上的位置
（二）熟练掌握劳斯-赫尔维茨稳定性判据
1. 劳斯-赫尔维茨稳定性判据的原理及系统稳定必要条件
2. 劳斯稳定性判据充分条件以及判别方法和步骤
3. 劳斯队列中几种特殊情况的处理方法
4. 赫尔维茨稳定性判据充分条件以及方法和步骤
（三）熟练掌握乃奎斯特稳定性判据
1. 基本原理
通过系统开环乃奎斯特图以及开环极点的位置来判别闭环特征方程的根在S 平面上的位置，从而判别系统的稳定性
（1）闭环特征方程
（2）米哈伊洛夫定理
（3）乃奎斯特判据
（4）用乃奎斯特法判别系统的稳定性
（5）对O 型系统判稳定方法及特殊点计算方法
（6）对I 型系统判稳定方法及特殊点的计算方法
（7）对II 型系统判稳定方法及特殊点的计算方法
（8）对具有延时环节系统判别稳定方法及计算
2. 掌握应用实例
明确系统参数对系统稳定性的影响
（四）系统相对稳定性
1. 熟练掌握系统相对稳定性
（1）相位欲量和幅值裕量在极坐标图和伯德图上的表示方法
（2）相位裕量和幅值裕量来衡量系统稳定性时应注意的几个问题
2. 掌握条件稳定系统的基本概念
四、本章的重点和难点
1. 系统稳定性分析的意义
2. 系统稳定的必要条件、充要条件
3. 判定闭环系统稳定性的时域、频域的方法
4. 使控制系统稳定的某些待定参数的求取方法及其计算
5. 稳定裕量的物理意义及计算方法
6. 伯德图图形与系统参数相互关系
第6章 控制系统的误差分析和计算
一、学习目的与要求
通过本章学习明确系统的误差的概念；稳态误差的计算方法，以及系统稳态误差与系统型次的关系，静态误差系数与系统稳态误差的关系。
二、课程内容
（一）稳态误差的基本概念
1. 误差和偏差
2. 误差和稳态误差
（二）输入引起的稳态误差
1. 误差传递函数与稳态误差
2. 静态误差系数
（1）系统类别与系统阶次
（2）系统稳态误差
（3）静态位置误差系数和位置误差
（4）静态速度误差系数和速度误差
（5）静态加速度误差系数和加速误差
（三）干扰引起的稳态误差
（四）减少系统误差的途径
1. 按干扰补偿
2. 按输入补偿
*（五）动态误差系数
三、考核知识点与考核要求
（一）熟练掌握误差、偏差的概念
1. 误差、偏差的概念
2. 稳态误差和稳态偏差的计算
（二）熟练掌握输入引起的稳态误差
1. 误差传递函数与稳态误差的概念
2. 系统类别的定义
3. 系统稳态误差与系统类别、开环增益及输入信号之间的关系
4. 静态位置误差系统和位置误差定义以及与系统类别的关系
5. 静态速度误差系数与速度误差定义以及与系统类别的关系
6. 静态加速度误差系数和加速度误差定义以及与系统类别的关系
7. 不同类别系统在不同输入信号下的稳态误差
（三）掌握振动作用下系统干扰稳态误差的计算
（四）领会减小系统误差的途径
1. 按干扰补偿的概念和按干扰全补偿的条件
2. 按输入补偿的概念和在输入信号作用下误差全补偿条件
四、本章的重点和难点
1. 稳态误差的定义及计算方法
2. 静态误差系数的定义及与系统误差的概念
3. 减小系统误差的分析方法
第7章 控制系统的综合与校正
一、学习目的与要求
通过本章学习，明确在预先规定了系统性能指标情况下，如何选择适当的校正环节和参数，使系统满足这些要求，因此，需掌握系统的时域性能指标、频域性能指标以及它们之间的相互关系，以及各种校正方法的实现。
二、课程内容
（一）系统的性能指标
1. 时域性能指标
2. 开环频域指标
3. 闭环频域指标
4. 综合性能指标（误差准则）
（二）系统的校正概述
1. 校正的含义
2. 校正的方法
（三）串联校正
1. 超前校正
2. 滞后校正
3. 滞后-超前校正
4.PID 调节器
（1）比例控制器（P 调节）
（2）积分控制器（I 调节）
（3）微分控制器（D 调节）
（4）比例-积分-微分控制器（PID 调节）
（四）反馈校正
1. 利用反馈校正改变局部结构和参数
2. 速度反馈和加速度反馈
（五）用频率法对控制系统进行综合与校正
1. 典型系统的希望对数频率特性
（1）二阶最优模型
（2）高阶最优模型
2. 希望对数频率特性与系统性能指标的关系
3. 用希望对数频率特性进行校正装置的设计
（六）典型控制系统举例
1. 直流电动机调速系统
（1）直流伺服电动机-测速机机组
（2）PWM 功率放大器
（3）霍尔电流传感器
（4）电流环（跨导功率放大器）的分析与设计
2. 电压-位置随动系统
*（七）确定PID 参数的其他方法
*（八）MATLAB 在系统综合校正中的应用
三、考核知识点与考核要求
（一）掌握控制系统性能指标及校正方法
1. 系统性能指标的分类
2. 系统瞬态性能指标的含义及通常采用的指标
3. 稳态性能指标的含义及通常采用的指标
4. 频域性能指标的含义及通常采用的指标
5. 二阶系统频域性能指标与时域性能指标间的关系
6. 频率特性曲线中，不同频率段的特性与系统性能的关系
7. 校正的目的及方式
（二）掌握控制系统的串联校正
1. 相位超前校正的特点及实现方法
2. 相位滞后校正的特点及实现方法
3. 领会相位滞后-超前校正的特点及实现方法
4.PID 校正的特点及实现方法
（三）掌握控制系统的反馈校正
1. 利用反馈校正改变局部结构和参数
2. 速度反馈和加速度反馈的特点及实现方法
四、本章的重点和难点
1. 系统校正的意义
2. 串联校正及反馈校正的原理
3.PID 校正的意义及方法
4. 相位超前校正、相位滞后校正的特点
*第8章 根轨迹法
*第9章 控制系统的非线性问题
*第10章 计算机控制系统
*第11章 基于LabVIEW 的控制系统动态仿真演示软件
Ⅳ 关于大纲的说明与考核实施要求
一、自学考试大纲的目的和作用
课程自学考试大纲是根据专业自学考试计划的要求，结合自学考试的特点而确定。其目的是对个人自学、社会助学和课程考试命题进行指导和规定。
课程自学考试大纲明确了课程学习的内容以及深广度，规定了课程自学考试的范围和标准。因此，它是编写自学考试教材和辅导书的依据，是社会助学组织进行自学辅导的依据，是自学者学习教材、掌握课程内容知识范围和程度的依据，也是进行自学考试命题的依据。
二、课程自学考试大纲与教材的关系
课程自学考试大纲是进行学习和考核的依据，教材是学习掌握课程知识的基本内容与范围，教材的内容是大纲所规定的课程知识和内容的扩展与发挥。
大纲与教材所体现的课程内容应基本一致；大纲里面的课程内容和考核知识点，教材里一般也要有。反过来教材里有的内容，大纲里就不一定体现。（注：如果教材是推荐选用的，其中有的内容与大纲要求不一致的地方，应以大纲规定为准。）
三、关于自学教材
《控制工程基础（第4版）》，董景新、赵长德、郭美凤、陈志勇、刘云峰、李冬梅编著，清华大学出版社，2015年。
四、关于自学要求和自学方法的指导
本大纲的课程基本要求是依据专业考试计划和专业培养目标而确定的。课程基本要求还明确了课程的基本内容，以及对基本内容掌握的程度。基本要求中的知识点构成了课程内容的主体部分。因此，课程基本内容掌握程度、课程考核知识点是高等教育自学考试考核的主要内容。
为有效地指导个人自学和社会助学，本大纲已指明了课程的重点和难点，在章节的基本要求中一般也指明了章节内容的重点和难点。
本课程共4学分。
五、应考指导
1. 如何学习
很好的计划和组织是你学习成功的法宝。如果你正在接受培训学习，一定要跟紧课程并完成作业。为了在考试中作出满意的回答，你必须对所学课程内容有很好的理解。使用“行动计划表”来监控你的学习进展。你阅读课本时可以做读书笔记。如有需要重点注意的内容，可以用彩笔来标注。如：红色代表重点；绿色代表需要深入研究的领域；黄色代表可以运用在工作之中。可以在空白处记录相关网站，文章。
2. 如何考试
卷面整洁非常重要。书写工整，段落与间距合理，卷面赏心悦目有助于教师评分，教师只能为他能看懂的内容打分。回答所提出的问题。要回答所问的问题，而不是回答你自己乐意回答的问题！避免超过问题的范围
3. 如何处理紧张情绪
正确处理对失败的惧怕，要正面思考。如果可能，请教已经通过该科目考试的人，问他们一些问题。做深呼吸放松，这有助于使头脑清醒，缓解紧张情绪。考试前合理膳食，保持旺盛精力，保持冷静。
4. 如何克服心理障碍
这是一个普遍问题！如果你在考试中出现这种情况，试试下列方法：使用“线索”纸条。进入考场之前，将记忆“线索”记在纸条上，但你不能将纸条带进考场，因此当你阅读考卷时，一旦有了思路就快速记下。按自己的步调进行答卷。为每个考题或部分分配合理时间，并按此时间安排进行。
六、对社会助学的要求
1. 社会助学者应根据本大纲规定的考试内容和考核目标，认真钻研指定教材，明确本课程与其它课程不同的特点和学习要求，对自学者进行切实有效的辅导，防止他们出现自学中的各种偏向，把握社会助学的正确方向。
2. 辅导中要注意培养考生的自学能力，要引导他们逐步学会独立学习，在自学过程中善于提出问题、分析问题和解决问题。
3. 在本课程的助学或教学中，建议采用案例教学方法。培养考生的上述能力是十分必要的，这不仅能使考生习尽可能多的知识，还使他们能够在考试中最大限度地发挥潜能。要尽可能给予考生展示能力的机会，并为他们提供各种实例，鼓励独立完成练习。
4. 要正确处理重点和一般的关系。课程内容有重点与一般之分，但考试内容是全面的，而且重点与一般是相互影响的，社会助学者应指导自学应考者全面系统地学习教材，掌握全部考核内容和考核知识点，并在此基础上突出重点。切勿孤立地抓重点，把自学者引向猜题押题的误途。
要针对重点章、次重点章和一般章节分别提出自学或助学的基本学时建议和要求（如在章节后面已有，这里也可不再阐述），在助学活动中应注意的问题。要强调注意正确引导、把握好助学方向，正确处理学习知识和提高能力的关系。
七、对考核内容的说明
本课程要求考生学习和掌握的知识点内容都作为考核的内容。课程中各章的内容均由若干知识点组成，在自学考试中成为考核知识点。因此，课程自学考试大纲中所规定的考试内容是以分解为考核知识点的方式给出的。由于各知识点在课程中的地位、作用以及知识自身的特点不同，自学考试将对各知识点分别按三个或四个认知（或叫能力）层次确定其考核要求。
八、关于考试命题的若干规定
1. 指出考试的方法，考试时间的长度。对本课程考试要携带必要的工具等，应做出明确具体的规定。
2. 本大纲各章所规定的基本要求、知识点及知识点下的知识细目，都属于考核的内容。
考试命题既要覆盖到章，又要避免面面俱到。要注意突出课程的重点、章节重点，加大重点内容的覆盖度。
3. 命题不应有超出大纲中考核知识点范围的题目，考核目标不得高于大纲中所规定的相应的最高能力层次要求。命题应着重考核自学者对基本概念、基本知识和基本理论是否了解或掌握，对基本方法是否会用或熟练。不应出与基本要求不符的偏题或怪题。
4. 本课程在试卷中对不同能力层次要求的分数比例大致为：领会占20%，掌握部分占20%，熟练掌握部分占60%。
5. 要合理安排试题的难易程度，试题的难度可分为：易、较易、较难和难四个等级。每份试卷中不同难度试题的分数比例一般为：2:3:3:2。
必须注意试题的难易程度与能力层次有一定的联系，但二者不是等同的概念。在各个能力层次中对于不同的考生都存在着不同的难度。在大纲中要特别强调这个问题，应告诫考生切勿混淆。
6. 课程考试命题的主要题型一般有单项选择题、多项选择题、填空题、名词解释题、简答题、计算题、应用题、论述题、案例分析等题型（一般不使用判断题）。请作者确定好本课程所适用的题型，并注意留有余地。
在命题工作中必须按照本课程大纲中所规定的题型命制，考试试卷使用的题型可以略少，但不能超出本课程对题型规定。
附录 题型举例
一、填空题
稳态误差的大小与系统的开环增益K 有关，系统的开环增益K 越大，稳态误差越_____。
二、选择题（四个备选答案只有一个正确，将其选出，并填入题内括号中）
开环控制系统的控制信号取决于（ ）
A. 输入信号与反馈信号之差 B. 系统的输出信号
C. 给定的输入信号 D. 外部的干扰信号
三、简答题
对于PI 控制、PID 控制、 PD 控制，其作用分别接近滞后、超前、滞后—超前三类校正装置的哪一类？作为串联控制器使用时所适用的对象？
四、图解题
试通过结构图的等效变换求题图中传递函数C (s ) 。 R (s )
题图
五、综合计算题
已知开环传递函数为G (s )H (s )=
量h=20（dB ）时的K 值。 K ，试求系统具有增益裕s 0.2s +10.05s +1
高纲1579
江苏省高等教育自学考试大纲
08315 控制工程基础
南京理工大学编
江苏省高等教育自学考试委员会办公室
Ⅰ 课程性质与课程目标
一、课程性质和特点
《控制工程基础》课程是江苏省高等教育自学考试电子工程专业本科段的必修的专业基础课，该课程是电子工程专业课程体系中的骨干课程之一。
控制工程基础知识在各个领域都有着广泛的应用，如航空航天系统、现代交通运输系统、管理决策系统、生产控制系统、机械控制系统、国防武器系统等等，是人们开发、利用信息传递以支持组织自动化生产，开发自动控制设备，是一门能极大地促进现代社会组织的变革、推进社会现代化进程、提高组织自身素质与竞争能力的科学。
随着自动控制技术不断发展，自动控制技术这支利剑必须切实瞄准各行各业的业务需求这个目标，做到有的放矢，才能真正发挥作用。控制工程基础这门课程的任务就是利用自动控制的理论及思想，结合具体实际情况，帮助学生掌握分析控制系统的性能及设计控制器的基本方法，从而提高学生理论水平，锻炼他们进行系统开发的能力，为将来从事实际工作奠定坚实的基础。
《控制工程基础》是一门系统性很强的应用型课程，是以讲解控制系统分析、设计及提高系统性能为主要内容，引导学生利用应用数学、力学、电子工程学等知识，不断深入理解控制工程相关知识、灵活运用知识的一门科学。课程具有较强的理论性，学生通过具体的机械及电子控制系统的专门学习，在树立清晰的系统意识的基础上，掌握控制系统性能分析与系统设计的基本方法。通过本课程的学习，学生不仅可以增强自学能力和独立研究能力，而且提高自身的开发能力，成为具备较强的研究能力、创新能力和驾驭现代化控制技术能力的复合型人才。
二、课程目标
通过本课程的学习，应达到如下要求：
1．以机械运动作为主要控制对象，重点掌握数学模型及分析的基本思想和方法。熟练掌握典型系统（特别是一阶系统、二阶系统）的时域和频域特性；
2．重点掌握线性系统的性能指标的定义及意义，以及相应的求取思想和基本方法；
3．重点掌握自动控制系统的稳定性的概念和常用的判定方法，能熟练应用基本的判定方法判别系统的稳定性；
4．熟练掌握在典型输入信号作用下，系统的响应；
5．熟练掌握控制系统建模的基本方法及模型简化的基本手段；
6．掌握控制系统传递函数的概念，深刻理解传递函数性质及物理意义；
7．掌握控制系统的设计思想和基本的方法；
8．对基本的校正装置的作用有所了解。
三、与相关课程的联系与区别
本课程的前修课程是高等数学、力学、电工、电子线路等，须具备有一定的电子工程基础知识，以便能顺利掌握机械系统、电子工程中的数学模型的建立以及所需的运算工具。
四、课程的重点和难点
第1章 重点和难点：
1. 控制系统的基本概念的准确把握；
2. 控制系统的基本组成与实例各部件的对应关系；
3. 控制系统的基本要求的意义；
4. 实际系统中控制系统的作用。
第2章 重点和难点：
1. 数学模型的建立方法；
2. 拉氏变换和反变换的计算；
3. 传递函数的准确定义及求取方法；
4. 实际物理系统方块图的建立；
5. 方块图的化简方法；
6. 误差传递函数、前向通道传递函数、闭环传递函数、反馈通道传递函数和开环传递函 数的概念及准确计算。
第3章 重点和难点：
1. 控制系统在单位脉冲、阶跃、速度、加速度信号作用下响应的求取方法；
2. 欠阻尼系统的动态性能指标的求取；
3. 阻尼系数与各项性能指标的关系；
4. 二阶系统的传递函数及其无阻尼自然频率、有阻尼自然频率和阻尼比的计算。
第4章 重点和难点：
1. 频率特性函数的定义及其物理意义；
2. 频率特性的对数坐标图和极坐标图的概略绘制方法；
3. 系统极坐标图的特殊点计算及型次、阶次及零、极点位置对极坐标图的影响；
4. 频域性能指标及计算方法；
5. 最小相位系统的定义及意义。
第5章 重点和难点：
1. 系统稳定性分析的意义；
2. 系统稳定的必要条件、充要条件；
3. 判定闭环系统稳定性的时域、频域的方法；
4. 使控制系统稳定的某些待定参数的求取方法及其计算；
5. 稳定裕量的物理意义及计算方法；
6. 伯德图图形与系统参数相互关系。
第6章 重点和难点：
1. 稳态误差的定义及计算方法；
2. 静态误差系数的定义及与系统误差的概念；
3. 减小系统误差的分析方法。
第7章 重点和难点：
1. 系统校正的意义；
2. 串联校正及反馈校正的原理；
3.PID 校正的意义及方法；
4. 相位超前校正、相位滞后校正的特点。
Ⅱ 考核目标
本大纲在考核目标中，按照领会、掌握、熟练掌握三个层次要求考生，三个能力层次是递进关系，各能力层次分别表示：
1. 领会：知晓本课程中有关的名词、概念、知识的意义，并能正确认识和表达，这是最低层次的要求。
2. 掌握：在领会的基础上，能全面理解《控制工程基础》中提出的基本概念、原理、方法，回答一些基本的问题，并能对各种概念、原理、方法进行联系和区别，这是较高层次的要求。
3. 熟练掌握：在领会和掌握的基础上，能运用基本概念、原理与方法进行控制系统分析过程中各个阶段工作，同时能用各种图、表、文字、数据正确地表述、完整地表达自己对某实际系统进行分析与设计的思路与过程，这是最高层次的要求，也是本课程的重点内容。
4．其中打*的部分，自学考试大纲不做要求。
Ⅲ 课程内容与考核要求
第1章 概论
一、学习目的与要求
通过本章的学习使学生走进控制工程领域，了解控制理论在工程中的应用发展现状，了解自动控制理论在机械制造工业中的一些具体应用，了解本课程学习的知识结构和安排，掌握控制系统的基本概念。
二、课程内容
本章主要介绍了控制理论发展过程及在工程上的应用；自动控制系统的基本概念；控制理论在机械制造工业中的应用；课程的整体安排。
三、考核知识点与考核要求
（一）领会控制理论的发展过程，及在发展各阶段的主要特点
（二）熟练掌握自动控制系统的基本概念：
1．自动控制系统的工作原理
2. 开环控制
3. 闭环控制
4. 反馈控制系统基本组成及组成的元件
5. 自动控制系统的基本类型
6. 对控制系统的基本要求
（三）领会控制理论在机械制造工业中的应用：
1. 离心调速器
2. 机器人关节司服系统
3. 三坐标数控机床
4. 六自由度工业机器人
5. 感应导线式自动导引车
6. 柔性制造系统
（四）掌握本课程的基本要求
四、本章的重点和难点
1. 控制系统的基本概念的准确把握
2. 控制系统的基本组成与实例各部件的对应关系
3. 控制系统的基本要求的意义
4. 实际系统中控制系统的作用
第2章 控制系统的动态数学模型
一、学习目的与要求
通过本章学习明确为了分析、研究机械电子工程系统的动态特性，或对它们进行控制，最重要的一步首先是建立系统的数学模型，明确数学模型的含义，掌握采用解析方法建立一些简单机、电系统的数学模型。
明确拉普拉斯（简称拉氏）变换是分析研究线性动态系统的有力工具，通过拉氏变换将时域的微分方程变换为复数域的代数方程，掌握拉氏变换的定义，用定义求常用函数的拉氏变换，会查拉氏变换表，掌握拉氏变换的重要性质及其应用，掌握用部分分式法求拉氏变换的方法以及了解用拉氏变换求解线性微分方程的方法。
掌握传递函数定义、特点及推导方法，方块图及其简化法则。了解信号流程图及梅逊公式的应用，以及数学模型、传递函数、方块图和信号流程图之间的关系。
二、课程内容
本章主要介绍：
（一）基本环节的数学模型
1．质量——弹簧——阻尼系统
应用牛顿第二定律建立质量——弹簧——阻尼系统的运动微分方程
2．电路网络
应用基尔霍夫定律和区姆定律建立电路网络系统的微分方程
3．电动机
应用力学、电学方面定律建立电枢控制式直流电动机的数学模型
（二）数学模型的线性化
1．各类非线性现象
2．系统线性化处理的方法
（三）拉氏变换及反变换
1．拉氏变换定义
2．简单函数的拉氏变换
（1）单位阶跃函数
（2）指数函数
（3）正弦函数和余弦函数
（4）幂函数
3．拉氏变换的性质
（1）叠加原理
（2）微分定理
（3）积分定理
（4）衰减定理
（5）延时定理
（6）初值定理
（7）终值定理
（8）时间比例尺改变的象函数
（9）tx(t)的象函数
（10）x(t)/t的拉氏变换
（11）周期函数的象函数
（12）卷积分的象函数
4．拉氏反变换
（1）只含不同单极点的情况
（2）含共轭复数极点的情况
（3）含多重极点的情况
5．用拉氏变换解常系数线性微分方程
（四） 传递函数以及典型环节的传递函数
1．比例环节
2．一阶惯性环节
3．微分环节
（1）理想微分环节
（2）近似微分环节
4．积分环节
5．二阶振荡环节
（五）系统函数方块图及其简化
1．系统方块图的基本单元
2．比较点
3．引出点
4．串联
5．并联
6．反馈
7．系统方块图变换法则
8．系统方块图简化
（六）系统信号流图及梅逊公式
1．信号流图的表示方法
2．梅逊公式
（七）受控机械对象数学模型
1．高谐振频率
2．高刚度
3．适当阻尼
4．低转动惯量
（八）绘制实际物理系统的函数方块图
1．各种典型机械系统的传递函数
2．各种电网络及电气系统的传递函数
*（九）控制系统数学模型的MA TLAB 实现
*（十）状态空间方程基本概念
三、考核知识点与考核要求
（一）数学模型的概念
1．熟练掌握数学模型的含义
2．熟练掌握线性系统含义及其最重要的特征——可以运用叠加原理
3．熟练掌握线性定常系统和线性时变系统的点义
4．领会非线性系统的定义及其线性化方法
（二）系统微分方程的建立
1. 掌握对于机械系统运用牛顿第二定律建立运动微分方程式
2. 掌握对于电气系统运用基尔霍夫定律建立微分方程式
（三）熟练掌握拉氏变换与拉氏反变换定义
（四）熟练掌握典型时间函数的拉氏变换
1. 单位阶跃函数的拉氏变换
2. 指数函数的拉氏变换
3. 正弦函数和余弦函数的拉氏变换
4. 幂函数的拉氏变换
（五）掌握拉氏变换的性质
1. 熟练掌握叠加原理
2. 熟练掌握微分定理
3. 熟练掌握积分定理
4. 衰减定理
5. 延时定理
6. 熟练掌握初值定理
7. 熟练掌握终值定理
8. 时间比例尺改变的象函数
9.tx(t)的象函数
10.x(t)/t的拉氏变换
11. 周期函数的象函数
12. 卷积分的象函数
（六）掌握拉氏反变换
1. 拉氏反变换
2. 拉氏反变换的部分分式法：无重极点和有重极点的情况
（七）熟练掌握用拉氏变换解常微分方程
（八）熟练掌握传递函数
1. 传递函数的定义
2. 传递函数的主要特点
（九）熟练掌握方块图及系统的构成
1. 方块图表示方法及其构成
2. 系统的构成
（1）串联环节的构成及计算
（2）并联环节的构成及计算
（3）反馈环节的构成及计算
（4）误差传递函数、前向通道传递函数、闭环传递函数、反馈通道传递函数和开环传递函数的定义及计算
3. 方块图的简化
4. 画系统方块图及求传递函数步骤
（十）掌握信号流图与梅逊公式
1. 信号流图表示方法及其成
2. 信号流统与方块图之间的关系
3. 梅逊公式的应用
（十一）掌握受控机械对象的数学模型
1. 高谐振频率
2. 高刚度
3. 适当阻尼
4. 低转动惯量
（十二）掌握实际物理系统的传递函数方块图
1. 各种机械系统的传递函数
2. 各种电网络及电气系统的传递函数
四、本章的重点和难点
1. 数学模型的建立方法
2. 拉氏变换和反变换的计算
3. 传递函数的准确定义及求取方法
4. 实际物理系统方块图的建立方法
5. 方块图的化简方法
6. 误差传递函数、前向通道传递函数、闭环传递函数、反馈通道传递函数和开环传递函数的概念及准确计算
第3章 时域瞬态响应分析
一、学习目的与要求
通过本章学习，明确一个系统在建立了系统的数学模型（包括微分方程和传递函数）之后，就可以采用不同的方法来分析和研究系统的动态性能，时域分析是重要的方法之一。明确系统在外加作用激励下，根据所描述系统的数学模型，求出系统的输出量随时间变化的规律，并由此确定系统的性能，明确系统的时间响应及其组成，脉冲响应函数的概念，掌握一阶、二阶系统的典型时间响应和高阶系统的时间响应以及主导极点的概念。
二、课程内容
（一）时域响应以及典型输入信号
1. 时域响应的含义
（1）瞬态响应的含义
（2）稳态响应当含义
2. 典型输入信号的概念
（1）选择典型输入信号的好处
（2）常见的典型输入信号
阶跃函数、斜坡函数、加速度函数、脉冲函数、正弦函数
（二）一阶系统的瞬态响应
1. 一阶系统的单位阶跃响应
2. 一阶系统的单位斜坡响应
3. 一阶系统的单位脉冲响应
（三）二阶系统的瞬态响应
1. 二阶系统的单位阶跃响应
（1）欠阻尼情况
（2）临界阻尼情况
（3）过阻尼情况
（4）零阻尼情况
（5）负阻尼情况
2. 二阶系统的单位脉冲响应
（1）欠阻尼情况
（2）临界阻尼情况
（3）过阻尼情况
3. 二阶系统的单位斜坡响应
（1）欠阻尼情况
（2）临界阻尼情况
（3）过阻尼情况
（四）时域分析性能指标
1. 瞬态响应性能指标包括
2. 上升时间
3. 峰值时间
4. 最大超调量
5. 调整时间
（五）高阶系统的瞬间响应
1. 主导极点的概念
2. 偶极子的概念
*（六）借助MATLAB 进行系统时间响应分析
（七）机电系统时域瞬态响应的实验方法
三、考核知识点与考核要求
（一）熟练掌握时间响应
1. 时间响应的概念
2. 瞬态响应和稳态响应的定义
（二）熟练掌握脉冲响应函数
1. 脉冲响应函数的定义
2. 脉冲响应函数与传递函数的关系
3. 如何利用脉冲响应函数求系统在任意输入下的响应
（三）熟练掌握一阶系统的时间响应
1. 一阶系统的传递函数及其增益和时间常数的计算
2. 一阶系统的单位脉冲响应函数的计算
3. 一阶系统的单位阶跃响应函数的计算
4. 一阶系统的单位斜坡响应函数的计算
（四）二阶系统的时间响应
1. 熟练掌握二阶系统的传递函数及其无阻尼自然频率、有阻尼自然频率和阻尼比的计算
2. 熟练掌握二阶系统特征方程
3. 熟练掌握二阶系统特征方程根的分布
4. 熟练掌握欠阻尼下的单位阶跃响应计算
5. 掌握临界阻尼下的单位阶跃响应
6. 掌握过阻尼下的单位阶跃响应
7. 掌握阻尼比、无阻尼自然频率与响应曲线的关系
8. 掌握不同阻尼比下的单位脉冲响应
（五）领会高阶系统的时间响应
1. 主导极点的概念及其与时间响应的关系
2. 偶极子的概念
（六）瞬态响应的性能指标
1. 熟练掌握瞬态响应的性能指标定义
2. 熟练掌握二阶系统的瞬态响应指标的计算
3. 掌握二阶系统的阻尼比、无阻尼自然频率与各性能指标间的关系
四、本章的重点和难点
1. 控制系统在单位脉冲、阶跃、速度、加速度信号作用下响应的求取方法
2. 欠阻尼系统的动态性能指标的求取
3. 阻尼系数与各项性能指标的关系
4. 二阶系统的传递函数及其无阻尼自然频率、有阻尼自然频率和阻尼比的计算
第4章 控制系统的频率特性
一、学习目的与要求
通过本章学习，明确频率特性的基本概念，频率特性与传递函数的关系，系统动刚度的概念，掌握频率特性的两种表示方法以及频率特性与时间响应的关系，各基本环节及系统的极坐标图和伯德图的画法，闭环频率特性及相应的性能指标，为频域分析系统的稳定性以及综合校正打下基础。
二、课程内容
（一）机电系统频率特性的概念及其基本实验方法
1. 频率特性概述
2. 频率特性的实验求取
（二）极坐标图
1. 曲型环节的乃氏图
（1）比例环节
（2）积分环节
（3）微分环节
（4）一阶惯性环节
（5）二阶振荡环节
（6）延迟环节
2. 乃氏图的一般作图方法
（三）对数坐标图
1. 典型环节的伯德图
（1）放大环节
（2）积分环节
（3）一阶惯性环节
（4）一阶微分环节
（5）二阶振荡环节
（6）延迟环节
2. 一般系统伯德图的作图方法
3. 最小相位系统
（1）最小相位系统定义
（2）非最小相位系统概念
（四）由频率特性曲线求系统的传递函数
（五）由单位脉冲响应求系统频率特性
*（六）对数幅相特性图
（七）控制系统的闭环频响
1. 由开环频率特性估计闭环频率特性
2. 系统频域指标
（1）开环频域指标；
（2）闭环频域指标。
（八）机械系统动刚度概念
*（九）借助MATLAB 进行控制系统的频率响应分析
三、考核知识点与考核要求
（一）熟练掌握频率特性
1. 频率特性的定义
2. 频率特性与传递函数的关系
3. 系统动刚度概念
4. 传递函数、频率特性和时间的关系
5. 频率特性的对数坐标图和极坐标图的表示方法
（二）熟练掌握频率特性的对数坐标图
1. 对数坐标图的组成及特点
2. 各种典型环节的伯德图近似画法及相应的误差计算
3. 绘制伯德图的一般步骤和方法
（三）熟练掌握频率特性的极坐标图
1. 极坐标图的表示方法及特点
2. 各种典型环节的极坐标图的画法及特点
3. 系统极坐标图的一般画法及特殊点计算方法
4. 系统的型次、阶次及零、极点位置对极坐标图的影响
（四）熟练掌握闭环频率特性与频域性能指标
1. 系统闭环频率特性概念及其计算方法
2. 频域性能指标及计算方法
（五）熟练掌握最小相位系统的概念
1. 最小相位系统的定义
2. 非最小相位系统中，当零、极点分布在s 的右半平面时，与系统频率特性的关系
四、本章的重点和难点
1. 频率特性函数的定义及其物理意义
2. 频率特性的对数坐标图和极坐标图的概略绘制方法
3. 系统极坐标图的特殊点计算及型次、阶次及零、极点位置对极坐标图的影响
4. 频域性能指标及计算方法
5. 最小相位系统的定义及意义
第5章 控制系统的稳定性分析
一、学习目的与要求
通过本章学习明确稳定性的概念，掌握判别系统稳定性的基本准则，掌握劳斯-赫尔维茨稳定判据和乃奎斯特稳定判据以及相对稳定性的概念。
二、课程内容
（一）系统稳定性的基本概念
（二）系统稳定的充要条件
（三）代数稳定性判据
1. 劳斯稳定性判据
（四）乃奎斯特稳定性判据
1. 米哈伊洛夫定理
2. 乃奎斯特稳定性判据
3. 乃奎斯特稳定性判据的另一表述
*4.应用逆Nyguist 图的Nyguist 稳定判据
（五）应用乃奎斯特判据分析延时系统的稳定性
1. 延时环节并联在闭环系统前向通道中时的系统稳定性
*2.延时环节并联在闭环系统前向通道中时的系统稳定性
（六）由伯德图判断系统的稳定性
（七）控制系统的相对稳定性
1. 相位裕量v
2. 幅值裕量kg
*（八）借助MATLAB 分析系统稳定性
三、考核知识点与考核要求
（一）熟练掌握稳定性
1. 稳定性概念
2. 判别稳定性的基本准则，即系统稳定性的必要和充分条件
3. 判别稳定性的基本方法，直接计算特征根和判别特征根在S 平面上的位置
（二）熟练掌握劳斯-赫尔维茨稳定性判据
1. 劳斯-赫尔维茨稳定性判据的原理及系统稳定必要条件
2. 劳斯稳定性判据充分条件以及判别方法和步骤
3. 劳斯队列中几种特殊情况的处理方法
4. 赫尔维茨稳定性判据充分条件以及方法和步骤
（三）熟练掌握乃奎斯特稳定性判据
1. 基本原理
通过系统开环乃奎斯特图以及开环极点的位置来判别闭环特征方程的根在S 平面上的位置，从而判别系统的稳定性
（1）闭环特征方程
（2）米哈伊洛夫定理
（3）乃奎斯特判据
（4）用乃奎斯特法判别系统的稳定性
（5）对O 型系统判稳定方法及特殊点计算方法
（6）对I 型系统判稳定方法及特殊点的计算方法
（7）对II 型系统判稳定方法及特殊点的计算方法
（8）对具有延时环节系统判别稳定方法及计算
2. 掌握应用实例
明确系统参数对系统稳定性的影响
（四）系统相对稳定性
1. 熟练掌握系统相对稳定性
（1）相位欲量和幅值裕量在极坐标图和伯德图上的表示方法
（2）相位裕量和幅值裕量来衡量系统稳定性时应注意的几个问题
2. 掌握条件稳定系统的基本概念
四、本章的重点和难点
1. 系统稳定性分析的意义
2. 系统稳定的必要条件、充要条件
3. 判定闭环系统稳定性的时域、频域的方法
4. 使控制系统稳定的某些待定参数的求取方法及其计算
5. 稳定裕量的物理意义及计算方法
6. 伯德图图形与系统参数相互关系
第6章 控制系统的误差分析和计算
一、学习目的与要求
通过本章学习明确系统的误差的概念；稳态误差的计算方法，以及系统稳态误差与系统型次的关系，静态误差系数与系统稳态误差的关系。
二、课程内容
（一）稳态误差的基本概念
1. 误差和偏差
2. 误差和稳态误差
（二）输入引起的稳态误差
1. 误差传递函数与稳态误差
2. 静态误差系数
（1）系统类别与系统阶次
（2）系统稳态误差
（3）静态位置误差系数和位置误差
（4）静态速度误差系数和速度误差
（5）静态加速度误差系数和加速误差
（三）干扰引起的稳态误差
（四）减少系统误差的途径
1. 按干扰补偿
2. 按输入补偿
*（五）动态误差系数
三、考核知识点与考核要求
（一）熟练掌握误差、偏差的概念
1. 误差、偏差的概念
2. 稳态误差和稳态偏差的计算
（二）熟练掌握输入引起的稳态误差
1. 误差传递函数与稳态误差的概念
2. 系统类别的定义
3. 系统稳态误差与系统类别、开环增益及输入信号之间的关系
4. 静态位置误差系统和位置误差定义以及与系统类别的关系
5. 静态速度误差系数与速度误差定义以及与系统类别的关系
6. 静态加速度误差系数和加速度误差定义以及与系统类别的关系
7. 不同类别系统在不同输入信号下的稳态误差
（三）掌握振动作用下系统干扰稳态误差的计算
（四）领会减小系统误差的途径
1. 按干扰补偿的概念和按干扰全补偿的条件
2. 按输入补偿的概念和在输入信号作用下误差全补偿条件
四、本章的重点和难点
1. 稳态误差的定义及计算方法
2. 静态误差系数的定义及与系统误差的概念
3. 减小系统误差的分析方法
第7章 控制系统的综合与校正
一、学习目的与要求
通过本章学习，明确在预先规定了系统性能指标情况下，如何选择适当的校正环节和参数，使系统满足这些要求，因此，需掌握系统的时域性能指标、频域性能指标以及它们之间的相互关系，以及各种校正方法的实现。
二、课程内容
（一）系统的性能指标
1. 时域性能指标
2. 开环频域指标
3. 闭环频域指标
4. 综合性能指标（误差准则）
（二）系统的校正概述
1. 校正的含义
2. 校正的方法
（三）串联校正
1. 超前校正
2. 滞后校正
3. 滞后-超前校正
4.PID 调节器
（1）比例控制器（P 调节）
（2）积分控制器（I 调节）
（3）微分控制器（D 调节）
（4）比例-积分-微分控制器（PID 调节）
（四）反馈校正
1. 利用反馈校正改变局部结构和参数
2. 速度反馈和加速度反馈
（五）用频率法对控制系统进行综合与校正
1. 典型系统的希望对数频率特性
（1）二阶最优模型
（2）高阶最优模型
2. 希望对数频率特性与系统性能指标的关系
3. 用希望对数频率特性进行校正装置的设计
（六）典型控制系统举例
1. 直流电动机调速系统
（1）直流伺服电动机-测速机机组
（2）PWM 功率放大器
（3）霍尔电流传感器
（4）电流环（跨导功率放大器）的分析与设计
2. 电压-位置随动系统
*（七）确定PID 参数的其他方法
*（八）MATLAB 在系统综合校正中的应用
三、考核知识点与考核要求
（一）掌握控制系统性能指标及校正方法
1. 系统性能指标的分类
2. 系统瞬态性能指标的含义及通常采用的指标
3. 稳态性能指标的含义及通常采用的指标
4. 频域性能指标的含义及通常采用的指标
5. 二阶系统频域性能指标与时域性能指标间的关系
6. 频率特性曲线中，不同频率段的特性与系统性能的关系
7. 校正的目的及方式
（二）掌握控制系统的串联校正
1. 相位超前校正的特点及实现方法
2. 相位滞后校正的特点及实现方法
3. 领会相位滞后-超前校正的特点及实现方法
4.PID 校正的特点及实现方法
（三）掌握控制系统的反馈校正
1. 利用反馈校正改变局部结构和参数
2. 速度反馈和加速度反馈的特点及实现方法
四、本章的重点和难点
1. 系统校正的意义
2. 串联校正及反馈校正的原理
3.PID 校正的意义及方法
4. 相位超前校正、相位滞后校正的特点
*第8章 根轨迹法
*第9章 控制系统的非线性问题
*第10章 计算机控制系统
*第11章 基于LabVIEW 的控制系统动态仿真演示软件
Ⅳ 关于大纲的说明与考核实施要求
一、自学考试大纲的目的和作用
课程自学考试大纲是根据专业自学考试计划的要求，结合自学考试的特点而确定。其目的是对个人自学、社会助学和课程考试命题进行指导和规定。
课程自学考试大纲明确了课程学习的内容以及深广度，规定了课程自学考试的范围和标准。因此，它是编写自学考试教材和辅导书的依据，是社会助学组织进行自学辅导的依据，是自学者学习教材、掌握课程内容知识范围和程度的依据，也是进行自学考试命题的依据。
二、课程自学考试大纲与教材的关系
课程自学考试大纲是进行学习和考核的依据，教材是学习掌握课程知识的基本内容与范围，教材的内容是大纲所规定的课程知识和内容的扩展与发挥。
大纲与教材所体现的课程内容应基本一致；大纲里面的课程内容和考核知识点，教材里一般也要有。反过来教材里有的内容，大纲里就不一定体现。（注：如果教材是推荐选用的，其中有的内容与大纲要求不一致的地方，应以大纲规定为准。）
三、关于自学教材
《控制工程基础（第4版）》，董景新、赵长德、郭美凤、陈志勇、刘云峰、李冬梅编著，清华大学出版社，2015年。
四、关于自学要求和自学方法的指导
本大纲的课程基本要求是依据专业考试计划和专业培养目标而确定的。课程基本要求还明确了课程的基本内容，以及对基本内容掌握的程度。基本要求中的知识点构成了课程内容的主体部分。因此，课程基本内容掌握程度、课程考核知识点是高等教育自学考试考核的主要内容。
为有效地指导个人自学和社会助学，本大纲已指明了课程的重点和难点，在章节的基本要求中一般也指明了章节内容的重点和难点。
本课程共4学分。
五、应考指导
1. 如何学习
很好的计划和组织是你学习成功的法宝。如果你正在接受培训学习，一定要跟紧课程并完成作业。为了在考试中作出满意的回答，你必须对所学课程内容有很好的理解。使用“行动计划表”来监控你的学习进展。你阅读课本时可以做读书笔记。如有需要重点注意的内容，可以用彩笔来标注。如：红色代表重点；绿色代表需要深入研究的领域；黄色代表可以运用在工作之中。可以在空白处记录相关网站，文章。
2. 如何考试
卷面整洁非常重要。书写工整，段落与间距合理，卷面赏心悦目有助于教师评分，教师只能为他能看懂的内容打分。回答所提出的问题。要回答所问的问题，而不是回答你自己乐意回答的问题！避免超过问题的范围
3. 如何处理紧张情绪
正确处理对失败的惧怕，要正面思考。如果可能，请教已经通过该科目考试的人，问他们一些问题。做深呼吸放松，这有助于使头脑清醒，缓解紧张情绪。考试前合理膳食，保持旺盛精力，保持冷静。
4. 如何克服心理障碍
这是一个普遍问题！如果你在考试中出现这种情况，试试下列方法：使用“线索”纸条。进入考场之前，将记忆“线索”记在纸条上，但你不能将纸条带进考场，因此当你阅读考卷时，一旦有了思路就快速记下。按自己的步调进行答卷。为每个考题或部分分配合理时间，并按此时间安排进行。
六、对社会助学的要求
1. 社会助学者应根据本大纲规定的考试内容和考核目标，认真钻研指定教材，明确本课程与其它课程不同的特点和学习要求，对自学者进行切实有效的辅导，防止他们出现自学中的各种偏向，把握社会助学的正确方向。
2. 辅导中要注意培养考生的自学能力，要引导他们逐步学会独立学习，在自学过程中善于提出问题、分析问题和解决问题。
3. 在本课程的助学或教学中，建议采用案例教学方法。培养考生的上述能力是十分必要的，这不仅能使考生习尽可能多的知识，还使他们能够在考试中最大限度地发挥潜能。要尽可能给予考生展示能力的机会，并为他们提供各种实例，鼓励独立完成练习。
4. 要正确处理重点和一般的关系。课程内容有重点与一般之分，但考试内容是全面的，而且重点与一般是相互影响的，社会助学者应指导自学应考者全面系统地学习教材，掌握全部考核内容和考核知识点，并在此基础上突出重点。切勿孤立地抓重点，把自学者引向猜题押题的误途。
要针对重点章、次重点章和一般章节分别提出自学或助学的基本学时建议和要求（如在章节后面已有，这里也可不再阐述），在助学活动中应注意的问题。要强调注意正确引导、把握好助学方向，正确处理学习知识和提高能力的关系。
七、对考核内容的说明
本课程要求考生学习和掌握的知识点内容都作为考核的内容。课程中各章的内容均由若干知识点组成，在自学考试中成为考核知识点。因此，课程自学考试大纲中所规定的考试内容是以分解为考核知识点的方式给出的。由于各知识点在课程中的地位、作用以及知识自身的特点不同，自学考试将对各知识点分别按三个或四个认知（或叫能力）层次确定其考核要求。
八、关于考试命题的若干规定
1. 指出考试的方法，考试时间的长度。对本课程考试要携带必要的工具等，应做出明确具体的规定。
2. 本大纲各章所规定的基本要求、知识点及知识点下的知识细目，都属于考核的内容。
考试命题既要覆盖到章，又要避免面面俱到。要注意突出课程的重点、章节重点，加大重点内容的覆盖度。
3. 命题不应有超出大纲中考核知识点范围的题目，考核目标不得高于大纲中所规定的相应的最高能力层次要求。命题应着重考核自学者对基本概念、基本知识和基本理论是否了解或掌握，对基本方法是否会用或熟练。不应出与基本要求不符的偏题或怪题。
4. 本课程在试卷中对不同能力层次要求的分数比例大致为：领会占20%，掌握部分占20%，熟练掌握部分占60%。
5. 要合理安排试题的难易程度，试题的难度可分为：易、较易、较难和难四个等级。每份试卷中不同难度试题的分数比例一般为：2:3:3:2。
必须注意试题的难易程度与能力层次有一定的联系，但二者不是等同的概念。在各个能力层次中对于不同的考生都存在着不同的难度。在大纲中要特别强调这个问题，应告诫考生切勿混淆。
6. 课程考试命题的主要题型一般有单项选择题、多项选择题、填空题、名词解释题、简答题、计算题、应用题、论述题、案例分析等题型（一般不使用判断题）。请作者确定好本课程所适用的题型，并注意留有余地。
在命题工作中必须按照本课程大纲中所规定的题型命制，考试试卷使用的题型可以略少，但不能超出本课程对题型规定。
附录 题型举例
一、填空题
稳态误差的大小与系统的开环增益K 有关，系统的开环增益K 越大，稳态误差越_____。
二、选择题（四个备选答案只有一个正确，将其选出，并填入题内括号中）
开环控制系统的控制信号取决于（ ）
A. 输入信号与反馈信号之差 B. 系统的输出信号
C. 给定的输入信号 D. 外部的干扰信号
三、简答题
对于PI 控制、PID 控制、 PD 控制，其作用分别接近滞后、超前、滞后—超前三类校正装置的哪一类？作为串联控制器使用时所适用的对象？
四、图解题
试通过结构图的等效变换求题图中传递函数C (s ) 。 R (s )
题图
五、综合计算题
已知开环传递函数为G (s )H (s )=
量h=20（dB ）时的K 值。 K ，试求系统具有增益裕s 0.2s +10.05s +1