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自动控制理论 全套教学视频
《自动控制理论》课程是自动化、电气工程及其自动化专业的重要专业基础课，在新一轮教学计划修订时被确定为自动化、电气工程及其自动化专业的核心基础课程。
《自动控制理论》课程是自动化、电气工程及其自动化专业的重要专业基础课，在新一轮教学计划修订时被确定为自动化、电气工程及其自动化专业的核心基础课程。
该课程介绍自动控制系统数学模型建立与变换、控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频率特性分析法、系统综合与校正、非线性系统分析、离散控制系统分析与校正、状态空间分析法基础与综合校正基本理概念、基本理论和基本技能，是理论与实践结合十分紧密的课程。该课程需要比较深厚的高等数学、工程数学（线性代数、复变函数、积分变换）、电路、电子技术基础理论知识，要对基本概念、基本方法和基本技能加以特别的重视，既要有严格的数学变换、理论分析和逻辑推理，也要掌握工程上常用的图解分析等方法.
课程的目的与任务
本课程是自动化、电气工程及其自动化相关专业必修的一门重要的专业基础课；它是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。本课程涵盖“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分内容。它的主要内容是以传递函数和状态空间法为基础，研究自动控制系统的分析和设计问题。为学习后续专业课如《自动化仪表》、《生产过程控制系统》、《电力拖动自动控制系统》、《计算机控制系统》等课程打下坚实的理论基础。
课程的基本要求
通过学习本课程，使学生掌握自动控制系统的基本概念，学会建立和简化自动控制系统的数学模型，着重掌握自动控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频率特性分析法和状态空间分析法，在此基础上学习自动控制系统综合与校正的一般方法；学习非线性系统、采样控制系统的分析及综合方法。要求会分析和计算有关问题，并能独立完成规定的实验。
课程内容、授课方法与学时分配建议
一、授课内容
自动控制的基本概念 学时数:4
自动控制的基本原理；自动控制系统的基本类型；自动控制系统的研究方法；自动控制系统的性能指标和对系统的基本要求。
本章重点：自动控制系统的组成及工作原理；自动控制系统中的有关概念名词及术语。
自动控制系统的数学模型 学时数：11
控制系统微分方程的建立；非线性元件微分方程的线性化；传递函数；动态结构图及其等效变换；信号流图及Mason增益公式；脉冲响应函数；状态空间表达式。
本章重点：数学模型的概念及其重要性；系统数学模型的建立方法；传递函数、动态结构图及其等效变换；同一系统数学模型的多样性及相互变换。难点：控制系统微分方程的建立；结构图等效变换及Mason增益公式的正确运用；状态空间表达式。。
自动控制系统的时域分析法 学时数 13
典型输入作用和时域性能指标，一阶系统的瞬态响应；二阶系统的瞬态响应；高阶系统的闭环主导极点及其分析方法；稳定性的概念及代数判据；稳态误差、稳态偏差的概念及其分析，稳态误差（或稳态偏差）随时间的变化规律。
本章重点：二阶系统的阶跃响应及性能指标与参数的关系，高阶系统闭环主导极点的概念及其分析方法，Louth判据的应用，稳态误差及稳态偏差的计算。难点：稳定性的概念；Louth判据的正确使用；稳态误差、稳态偏差及稳态误差（或稳态偏差）随时间的变化规律等概念的正确理解。
自动控制系统的根轨迹分析法 学时数 9
根轨迹的基本概念；根轨迹的基本方程；绘制根轨迹的基本法则；参量根轨迹的绘制；单回路、多回路系统根轨迹的绘制；非最小相位系统根轨迹的绘制；用根轨迹法分析系统。
本章重点：最小相位系统以根轨迹增益Kg为变量的根轨迹的绘制法则和方法；根据根轨迹分析系统性能。难点：正确运用绘制根轨迹的基本法则根据开环传函绘制闭环系统的根轨迹；由根轨迹及开环传函确定系统闭环零、极点的分布，并据此分析系统性能.
自动控制系统的频率法分析 学时数14
频率特性的基本概念；频率特性与瞬态响应的关系；典型环节的平路频率特性；系统开环频率特性的绘制；奈奎斯特稳定判据；稳定裕度；闭环频率特性的绘制；闭环系统性能的频率特性分析法。
本章重点：频率特性的基本概念，稳态频率响应与暂态时域响应的关系；系统开环频率特性的绘制（Bode图和奈氏图）；最小相位环节（或系统）频率特性的特点；奈奎斯特稳定判据及其应用；稳定余度的概念及其计算。难点：稳态频率响应与暂态时域响应的关系；频率特性包含的物理意义；奈奎斯特稳定判据正确理解及其正确运用应用。
第六章 自动控制系统的综合与校正 学时数：12
系统校正概述；常用校正装置的特性；用根轨迹法对系统进行串联校正；用频率法对系统进行串联校正；用频率法对系统进行并联校正；用期望模型法对系统进行串联校正。
本章重点：常见校正装置的传递函数和频率特性；用频率法、期望模型法对系统进行校正，校正装置参数的求法。难点：各种串联校正方式（滞后校正，超前校正，滞后—超前校正）对系统性能的影响，校正方式的选择；校正装置参数的确定。
第七章 非线性控制系统分析 学时数：9
非线性控制系统概述；描述函数法及部分非线性环节的描述函数；用描述函数法研究非线性控制系统的自振荡及示例；系统相平面图的绘制方法；相平面图分析；用相平面分析法分析二阶非线性控制系统；用非线性特性改善系统的控制性能。
本章重点：非线性系统的特点；用描述函数法相平面法分析系统性能，特别注重非线性系统的非线性部分对系统性能的影响。难点：描述函数的求取，用描述函数法确定极限环；相轨迹图的绘制中相平面分界问题，六种奇点附近相轨迹的绘制方法，非线性二阶系统相平面图的绘制和分析。
第八章 线性离散系统的分析与综合 学时数：10
线性离散系统概述；采样过程和采样定理；用Z变换法求解差分方程；脉冲传递函数；离散系统的稳定性分析；离散系统的稳态误差分析；离散系统的动态性能分析；线性离散系统的校正。
本章重点：采样—数字控制系统的特点；正确理解采样定理和采样保持器的作用；系统脉冲传递函数的求法；用Z反变换法求采样系统的时域响应；采样系统的性能分析。难点：采样系统方框图变换；脉冲传递函数的求法；采样系统的校正。难点：采样系统方框图变换；脉冲传递函数的求法；
第九章 基于状态空间法的系统运动分析 学时数：11
线性定常系统的自由运动，矩阵指数函数ｅA（t-t0）（或eAt）的计算方法，线性定常系统的受控运动，线性时变系统状态方程的解法，离散时间系统状态方程求解，线性连续系统的离散化。
系统运动分析重点是状态转移矩阵的概念、计算方法及状态方程求解。而时变系统状态方程的解法只做一般介绍即可。难点是受控运动状态方程求解，要选一个好的例题进行讲解
１ 基于状态空间法的系统稳定性分析 学时数：9
李亚普诺夫第二法的概述，李亚普诺夫意义下的稳定性，李亚普诺夫稳定性定理，线性系统的李亚普诺夫稳定性分析，非线性系统的李亚普诺夫稳定性分析。
系统的稳定性分析重点是李亚普诺夫稳定性概念及判定非线性系统稳定性的变量－梯度法、克拉索夫法。难点是如何寻找李亚普诺夫函数，要通过例题和习题解决这一难点。
第十一章 系统的能控性和能观测性 学时数：7
能控性和能观测性的概念，线性定常系统的能控性判据，线性定常系统的能观测性判据，能控性、能观测性和传递函数矩阵，能控规范形和能观测规范形，系统的能控性与能观测性的对偶原理。
系统的能控性和能观测性重点是对定义的理解及判据的运用。再一个重点是如何将系统描述化为能控规范形和能观测规范形。难点是能控性和能观测性的概念，要通过举一些特殊的例题来解决。
第十二章 基于状态空间法的线性定常系统综合 学时数：11
状态反馈和输出反馈，SISO状态反馈系统的极点配置，状态重构问题的提出及解决途径。
线性定常系统的综合重点是系统极点配置问题和状态观测器的极点配置问题。难点是状态观测器的构造。必须强调：用经典校正方法不能任意配置极点；用状态反馈法可任意配置极点。
二、实验内容
实验一、自动控制系统的认识实验
（1）实验目的：1）通过实验使学生初步认识自动控制系统各组成部分及其作用；2）初步了解系统的给定输入量、扰动输入量、被控输出量的概念和具体形式；3）初步掌握开环控制和闭环控制的特点及控制性能的差异。
（2）实验要求：1）以具体实验系统为例，引导学生将方块图和实验装置进行对照，以建立对控制系统的感性认识。2）让学生观看开环演示实验，观察输入对输出的的控制作用，干扰对输出的扰动作用。3）让学生观看闭环演示实验，观察给定输入和扰动输入对输出的影响，让学生认识到闭环控制的优越性。
实验二、典型环节的模拟研究
实验三、典型二阶系统实验
（1）实验目的：1）学习用阻容元件及线性组件组成一个二阶系统进行各种实验的方法；2）研究阻尼比ξ和无阻尼自然振荡频率ωn对阶跃响应的影响。
（2）实验要求：1）要求学生画出实验电路图，选择元器件并按照原理图连接成控制系统；2）改变参数，用长余辉示波器观察系统阶跃响应的变化并记录
实验四、根轨迹曲线的计算机绘制
（1）实验目的1）训练学生应用计算机进行根轨迹辅助分析；2）让学生进一步加深系统零极点分布对根轨迹形状的影响。
（2）实验要求：1）教师提供辅助分析软件，让学生尽快学会使用；2）每个学生做十例以上，并记录各种根轨迹图。
实验五、频率特性的研究
（1）实验目的：1）学习系统（或环节）频率特性的测量方法；2）学习用频率特性确定数学模型的方法 。
（2）实验要求：1）测量并绘制一阶和二阶典型环节的频率特性；2）根据一阶和二阶典型环节的频率特性确定其传递函数；3）测量并绘制一个闭环系统的频率特性
实验六、系统的串联校正
（1）实验目的：1）学习正确选择校正装置的种类及参数；2）学习系统的调试方法。
（2）实验要求：1）学生必须根据给定的条件及指标要求确定校正装置的传递函数；2）测出系统的开环频率特性和闭环频率特性；3）根据频率特性求取系统的性能指标。
实验七 采样定理验证
（1）实验目的：验证采样定理的正确性及重要性。
（2）实验要求：1）了解采样过程和信号恢复过程；2）了解采样器和零阶保存器的电路结构。
实验八 状态反馈与状态观测器
（1）实验目的：通过计算机仿真，应用MATLAB语言掌握状态反馈与状态观测器的构成与作用。
（2）实验要求：1）研究现代控制理论中用状态反馈配置极点的方法。2）研究状态观测器的设计方法。
三、对习题、作业与实验的要求
习题作业分为概念题和计算题两种：前者用于帮助学生掌握基本概念，后者用于锻炼学生分析问题和解决问题的能力；每个学生必须独立完成70∽80个作业题，有余力的学生还可选做一些难度较大的题目。
必须特别重视实验教学，实验前学生必须认真预习实验指导书，明确实验目的及要求，熟悉实验的工作原理，拟订实验步骤，每组以两人为宜，任课教师每个实验至少指导一次，要认真考核学生实验成绩，并记入学生课程成绩。
四、本课程与其它课程的关系
1、《高等数学》、《工程数学》是学习《自动控制理论》的数学基础，也是研究《自动控制理论》的重要工具。
2、《电路理论》、《模拟（数字）电子技术》是学习《自动控制理论》的技术基础课。
3、《电机拖动基础》是学习《自动控制理论》的专业基础课，在《自动控制理论》建模时用到。
4、《自动控制理论》是《生产过程控制系统》、《电力拖动自动控制系统》、《自动化仪表》、《计算机控制系统》等后续课程的先修课。
