《自动控制理论课程设计》.docx

自动控制理论课程设计1 .课程编号：2 .课程名称：自动控制理论课程设计（AUtOmatiCControlTheoryProject）3 .课程概要：自动控制理论课程设计包括基于MATLAB/SIMULINK的控制系统仿真实验和基于典型被控对象直流电机和旋转倒立摆的半实物仿真控制系统设计两部分。针对控制系统的组成、控制理论的概念设计任务书，以项目为牵引，引导学生完成直流电机和旋转倒立摆两个典型被控对象的时域法、频域法和状态空间方法的控制系统设计，通过建模-仿真-实跄，达到对直流电机和旋转倒立摆不同状态控制的任务书要求。通过自动控制理论课程设计，使学生能够熟练掌握控制系统设计的方法，培养学生针对发杂被控对象进行控制系统和控制算法设计的能力。课程中穿插对维纳、韩京清等控制理论科学家故事的讲解，培养学生追本溯源的科学精神和严谨求实的实验态度。4 .南等教育层次：本科5 .课程属性：必修6 .课程性质：专业课7 .开课学年学期：第4学期8 .先修课程：自动控制理论I,Matlab在自动化工程中的应用，模拟电子技术9 .学时、学分32学时，1学分类别学时/学分类别学时类别学时总学时32学时课堂讲授学时12学时课堂实验学时16学时总学分1学分课下研讨实践学时4学时学生课下投入学时任务书理解和准备：6学时MOOC：16学时注:A、总学时=课堂讲授学时+课堂实验学时（实践环节课程的课下研讨实践学时计入总学时）；B、总学分：对于普通课16学时计1学分，实践环节课程32学时计1学分；C、课下研讨实践学时：需为师生共同参与的学习时间；D、教师工作量认定：等于课堂讲授学时+课堂实验学时+课下研讨实践学时。课程教学形式（0普通课程；1全英文课程；2双语课；3研究型课程；4网络课堂”0普通课程+4网络课堂0普通课程：传统讲授式教学占总学时2/3以上比例；1全英文课程：使用英文教材、英文教案、英文作业、英文考试，在课堂教学中95%以上的时间使用英语进行教学和交流的课程（专业英语除外）；2双语课程：使用英文教材、英文教案、英文作业、英文考试，在课堂教学中部分时间使用英语进行教学和交流的课程（英语专业课程除外）；3研究型课程：基于项目开发、案例分析、专题研讨的教学形式占总学时比例2/3以上，以团队化教学为主要形式的课程；4网络课堂：含应用MOOC,SPOC授课，以及翻转课堂为主要形式的课程。10 .课程预期学习成果（给出知识能力素养各方面的的具体教学结果）（必填项）L知悉和理解经典自动控制理论和相关方法，并能够应用于典型被控对象的分析和设计。2 .能够掌握完成应用S1MI-L1NK控制系统工具箱搭建控制系统，解决线性系统时域、频域及状态空间仿真和实验的问题，掌握使用MATLAB软件提取相关数据并应用恰当的计算机技术解决不熟悉的新问题的能力。3 .拥有根据实验目的确定需要数据的能力，掌握实际系统与理论数学模型的联系，具有解决问题的方法和思路，形成运用建模-仿真-实验方法进行控制系统设计的意识。4 .能够驾驭针对典型被控对象直流电机、倒立摆基于MATLAB/SIMULINK的控制器设计和系统调试方法。掌握系统集成、传感器标定、物理系统建模和参数辨识等方法，掌握系统调试和系统稳定性等分析方法。具备对实验过程的正确性加以评判，并能够合理地分析实验结果的基本素养。备注：课程的每一个教学目标对应需考核的一项知识能力点，上表中的四种表述形式是对知识能力点的不同掌握层次。11.课程预期学习成果与教学效果评价（如填此项则上一项可不填）课程预期学习成果教学效果评价不及格及格，中良优1.知悉和理解经典自动控制理论和相关方法，并能够应用于典型被控对象的分析和设计。对经典自动控制理论知识仅有碎片化的理解；能够运用零碎的自动控制原理，分析解决控制系统设计问题。对经典自动控制理论主要内容，控制系统设计过程能理解，但不完整；整体上具备运用自动控制原理，分析解决控制系统设计问题的能力，但缺乏系统性。对经典自动控制理论主要内容，控制系统设计过程能完整理解，但不系统，存在断点；整体上具备运用自动控制原理，分析解决控制系统设计问题的能力，有一定的系统性，对个别问题存在断点。对经典控制理论主要内容，控制系统设计核心过程能完整系统地理解；具备运用自动控制原理，分析解决控制系统设计问题的能力。2.能够掌握完成应用Simulink控制系统工具箱搭建控制系统，解决线性系统时域、频域及状态空间仿真和实验的问题，掌握使用MATLAB软件提取相关数据并应用恰当的计算机技术解决不熟悉的新问题的能力。仅能零碎使用Simulink控制系统工具箱；对MATLAB软件的使用以及数据的提取处理应用能力非常薄弱。能基本使用Simulink控制系统工具箱，但不完整；能够基本掌握对MATLAB软件的使用以及数据的提取处理应用，但不完整。能够使用Simulink工具箱解决控制系统仿真的问题，但系统性不够，存在薄弱点；能够使用MATLAB软件分析处理数据，但熟练程度尚不够。能够系统完整地使用Simulink工具箱解决控制系统仿真的问题；能够熟练使用MATLAB软件分析处理数据。3.具有根据实验目的确定需要数据的能力，掌握实际系统与理论数学模型的联系，具有解决问题的方法和思路，形成运用建模-仿真-实验方法进行控制系统设计的意识。对实验目的所需要的数据十分模糊；对实际系统与理论的对应关系，以及问题的解决思路完全没有概念。能根据实验目的基本确定实验所需数据，对实际系统与理论数学模型的对应关系概念模糊，具有一定的建模-仿真-实验方法进行系统设计的思路，但不完整。能够根据实验目的确定需要收集的数据，但存在数据冗余或部分缺失；能够基本掌握数学模型和实际系统的关系，并应用建模-仿真-实验方法进行控制系统设计，但设计结果与任务书仍具有一定差距。能够根据实验目的确定需要收集的数据，；掌握数学模型和实际系统的关系，并应用建模-仿真-实验方法进行控制系统设计，完成任务书要求。4.能够驾驭针对典型被控对象直流电机、倒立摆基于Matlabzsimulink的控制器设计和系统调试方法。掌握系统集成、传感器标定、物理系统建模和参数辨识等方法，掌握系统调试和系统稳定性等分析方法。形成执行项目任务的能力，并具备清晰展示和完善表达的基本素养。不掌握典型被控对象控制器设计和系统调试方法。对系统集成、传感器标定、物理系统建模和参数辨识等方法、系统调试和系统稳定性等分析方法没有概念。无法通过实验数据分析实验结果合理性。理解针对典型被控对象进行基于MTLABS1MUL1NK的控制器设计和系统调试方法，但实验效果较差。能够基本掌握系统集成、传感器标定、物理系统建模、参数辨识等方法、系统调试和系统稳定性等分析方法，但实际应用效果不理想。能够基本掌握针对典型被控对象进行基于Matlabzsimulink的控制器设计和系统调试方法。能够基本掌握系统集成、传感器标定、物理系统建模、参数辨识等方法、系统调试和系统稳定性等分析方法。能够在提示下对实验过程的正确性进行评判，并能够合理地分析实验结果。能够针对典型被控对象基于MTLBSIMUL1NK的控制器设计和系统调试方法，且控制效果良好。掌握系统集成、传感器标定、物理系统建模和参数辨识等方法，掌握系统调试和系统稳定性等分析方法。具备对通过实验数据分析实验结果合理性，但不全面。实验过程的正确性加以评判，并能够合理地分析实验结果的基本素养。注：在具体的学习阶段（或层次），预期教学成果可以不包含在能力素质培养上的全部范畴，如：能够驾驭（行为习惯、方式/方法、工艺等）、能够解决、知悉和理解），而只是包括其中的一部分。对此相应的指标的具体含义如下：“知赛和理解”可以在科学的准确性和完整性的层面上，解读和复现教学内容。“能够解决”可以使用标准化的解决算法求解典型的问题。“掌握/拥有的能力，形成行为习惯”一一多次重复某种能力，将能力转变为下意识的行为“能够驾取”一一基于习得的知识、能力和行为习惯，可以解决复杂问题，在非典型情况下能够应用这些知识与技能，并在上述过程中形成行为经验。与“能够驾驭”相对应的，还可以使用其他术语（如“具备。素养”等）。使用“能够驾驭”培养等级描述的例子- 外语达到的程度，必须能够从国外的信息源获取信息- 熟练掌握公众语言、提炼观点、开展讨论和辩论、不同话题的各种逻辑推理的分析实践等- 熟练地用书面的方式表达特定的观点- 医药-生物实验的规划和设计方法- 数学装置的应用方法、生物测量的处理方法- 各种操作系统下，数据库以及实验系统的工作方法- 在正常态，或病态条件下，对组织的生理功能开展试骏研究的能力- 熟练运用数学工具解决经济问题的能力- 通过建立、分析数学模型，预测经济过程和经济现象发展的方法- 在商务会谈场合以及私下交流的场合，具备用外语表述自己观点和思想的经验12.课程预期学习成果与所支撑的毕业要求对应关系（公共平台课无需细化到毕业要求指标点（见各专业培养方案说明书），暂无专业认证需求的专业下表可选填）毕业要求（指标点）编号毕业要求（指标点）内容课程预期学习成果毕业要求4：研究能够基于科学原理并采用科学方法，对自动化相关的控制理论与应用、工业自动化、检测技术、电子信息技术等领域的复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。4.2能够根据实验目的确定需要的数据，并能够通过合适手段收集数据。课程目标34.3能够对实验过程的正确性加以评判，并能够合理地分析实验结果。课程目标4毕业要求5:使用现代工具能够针对自动化相关的控制理论与应用、工业自动化、检测技术、电子信息技术等领域的复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，对复杂工程问题预测与模拟，并能够理解其局限性。5.2能够针对自动化相关的控制理论与应用、工业自动化、检测技术、电子信息技术等领域中的复杂工程问题，开发、选择和使用适当的技术、现代工程工具和信息技术工具进行分析、预测和模拟，并判断其在特定条件下的局限性。课程目标1课程目标2课程目标410.3能够使用多媒体技术或其他工具软件，当众展示或汇报自己的想法和成果。课程目标2课程目标313.教学内容、学时分配、与进度安排教学内容学时分配所支撑的课程预期学习成果教学方法与策略笫1部分MATLAB在自动控制理论中的应用1 .MATLAB的基础知识2 .MATLAB传递函数的建立与框图化简3 .MATLAB绘图方法4 .控制系统MATLAB时域分析方法5 .控制系统MATLAB频域分析方法6 .控制系统MATLAB根轨迹分析方法4学时讲授和辅导课程目标1课程目标2基于构建主义的实验课堂笫2部分SlMIJLlNK在自动控制理论中的应用1 .基于SlMULINK典型环节的仿真2 .基于SIMULINK二阶系统阶跃响应仿真3 .基于SlMULlNK串联系统校正仿真4 .基于SIMULINK的PID控制器参数仿真4学时讲授和辅导课程目标1课程目标2基于构建主义的实验课堂笫3部分自动控制理论原理课程设计1 .任务书下达与任务分解2 .实验硬件/软件平台结构介绍3 .系统传感器标定和系统参数测式4 .课程设计团队分组与项目管理2学时讲授、讨论和实验课程目标1课程目标3项目驱动团队合作第4部分自动控制理论原理课程设计（D完成任务书一内容：分析直流电机电压-转速控制系统和电压-位置控制系统特性,设计PID（或改进的PID）位置控制器和速度控制，调节控制器参数，使系统性能达到：调节时间0.1s,超调量5%,并对系统稳定性进行分析。学生课下建议投入学时2学时：进行直流电机电压-速度和电压-位置传函推导，搭建SINfULINK模型进行仿真分析和设计。6学时实验设计和辅导课程目标3课程目标4项目驱动团队合作研究型实验笫4部分自动控制理论原理课程设计（2）完成任务书二内容：对直流电机电压-位置控制系统进行频域分析，设计超前矫正器对二阶系统进行超前校正，使系统性能达到：相位裕度60-75度。给出超前校正器设计、仿真和实验过程。学生课下建议投入学时2学时：进行直流电机电压-位置超前校正器设计计算，搭建Simulink模型进行仿真分析。6学时实验设计和辅导课程目标3课程目标4项目驱动团队合作研究型实验笫4部分自动控制理论原理课程设计（3）完成任务书三内容：利用工程整定法对电机进行Pn）控制器设计，进一步进行创新性设计，完成基于电机控制的平衡控制实验。学生课下建议投入学时2学时：掌握PlD控制原理和工程整定方法，认识系统稳定性。6学时实验设计和辅导课程目标3课程目标4项目驱动团队合作研究型实验第5部分课程验收以小组形式进项项目成果展示和答辩，小组之间相互打分提问。学生课下建议投入学时2学时：整理项目成果，制作展示PPT或视频文件。4学时展示和互评课程目标3课程目标4项目驱动团队合作研究型实验（注：实践研讨学时、教师课下指导学时、学生课下建议投入学时内容应予以描述）14 .考核与成绩评定（平时成绩、期末成绩在总成绩中的比例，平时成绩的记录方法）考核方式：考查（报告+答辩）平时成绩20%（课堂表现）MOOC成绩10%（中国大学慕课网平台上计算成绩）课程设计报告50%（课程设计报告、课程设计任务完成情况和整体设计思路）课程设计答辩20%（现场表达和提问环节）15 .教材，参考书：姜增如.自动控制理论虚拟仿宾与实舱设计Dfl.北京：北京理工大学出版社，2020.16 .编写教师：李怡然、王晴编写教师（签字）：开课单位责任教授（签字）：开课学院教学副院长（签字）：