自动控制原理课程教案.docx

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自动控制原理课程教案

自动控制原理课程教案

浙江科技学院

自动化与电气工程学院

2006年5月

章节目第一章控制系统导论（2学时）

主要内容：

1.1自动控制系统的基本原理

1.2自动控制系统分类

1.3对控制系统的基本要求

1.4自动控制的发展简史

1.5控制系统设计概论

重点：

1．要求学生了解自动控制系统的基本概念、基本变量、基本组成及工作原理

2．理解信息反馈的含义和作用，区别开环控制和闭环控制

3．绘制控制系统方框图

难点：

1．广义系统的信息反馈及控制系统方框图的绘制

教学方式：

采用工程实例和设疑方法引导学生用系统论，信息论观点分析广义系统的动态特征、信息流，理解信息反馈的作用。

绘制控制系统方框图。

在讲述控制理论发展史引入我国古代指南车和“二弹一星”特殊贡献科学家——钱学森在自动控制理论方面的成就，进行爱国主义和专业教育。

在讲述控制系统系统设计概论，引用转台转速控制和磁盘驱动读取系统的设计实例，强化设计训练。

章节目第二章控制系统的数学模型（10学时）

主要内容：

2.1导论

2.2控制系统的微分方程

2.3控制系统的传递函数

2.4控制系统结构图（框图或方块图）与信号流图

2.5应用MATLBA控制系统仿真

重点：

本章只介绍控制系统建模的基础知识和基本框架，研究用机理分析方法建立和简化线性单变量系统的数学模型：

包括微分方程；传递函数；系统结构图及信号流图。

着重掌握输入输出描述方法的特点和传递函数的定义、性质、求法与图示方法（结构图和信号流图）。

难点：

1．系统微分方程列写

2．非线性系统偏微线性化

3．传递函数方框图绘制及简化

4．信号流图绘制及应用梅逊公式求出系统的传递函数

教学方式：

本章涉及的数学知识较多，主要有复变函数、拉氏变换和线性代数。

要求学生从应用出发进行适当复习，学用结合，急用先学，学习过程中应注意基本概念、基本原理和基本方法以及工程的观念，重在应用。

同时介绍应用MATLA软件求解不同参数和输入情况下的响应，即可视化解，帮助学生学会运用计算机进行辅助分析和设计。

章节目第三章控制系统的时域分析法（10学时）

主要内容：

3.1二阶系统的瞬态响应及性能指标

3.2增加开环零、极点对系统响应的影响

3.3反馈控制系统的稳态误差

3.4劳斯—赫尔维茨稳定判据

3.5控制系统灵敏度分析

3.6应用MATLAB分析控制系统的性能

3.7设计实例

重点：

1．二阶系统的定义和基本参数，二阶系统单位阶跃响应曲线的基本形状与阴尼比之间的对应关系，二阶系统性能指示的定义及其与Wn，ζ之间的关系

2．系统误差的定义，稳态误差计算和减少误差方法

3．线性系统稳定性的充要条件和劳斯——赫尔维茨判据及其应用

难点：

1．掌握零极点分布与线性系统的稳定性和二阶系统的瞬态响应之间关系，并且能用

S平面形象地加以表达

1．静态特性误差系数计算法

2．控制系统参数变化时灵敏度计算

教学方式：

以设疑法、对比法和用零极点观点具体地介绍线性系统稳定性，瞬态特性和稳定特性分析方法，并以工程实用方法为主，包括劳斯——赫尔维茨判据及其应用，高阶系统的主导极点分析法，基于终值定理稳态误差计算法和计算机仿真分析，重在应用。

章节目第四章根轨迹法（8学时）

主要内容：

4.1根轨迹的概念

4.2绘制根迹的基本规则

4.3广义根轨迹

4.4系统性能分析

4.5应用MATLAB分析根轨迹

4.6工程设计示例

重点：

1．应用根轨迹的基本规则能熟练地绘制系统概略的根轨迹图，并以180º根轨迹为主

2．应用根轨迹能定性地分析系统的性能及其随参数变化的趋势和添加开环零极点

对系统特性的影响

难点：

1．依据系统特征方程或与其等价的幅角条件绘制控制系统的根轨迹

2．应用根轨迹法，定量地确定闭环零极点分布和估算系统的性能

教学方式：

提出本章要解决以下四个问题：

1.为什么要引入根轨迹法规.2.根轨迹是什么,如何绘制根轨迹3.如何从根轨迹图来判断闭环系统的动态特性4.如何根据用户要求改造根轨迹，即系统综合设计，来组织本章教学。

重点介绍手工绘制根轨迹，并以计算机绘制根轨迹为辅，重点是根轨迹法在系统分析中的应用。

最后用比较法、总结时域分析和复频域根轨迹法的异同，引导学生掌握根轨迹分析法的基本思路、基本方法及工程处理特点。

章节目第五章线性系统的频域分析（12学时）

主要内容：

5.1频率特性的概念

5.2典型环节频率特性的绘制

5.3系统开环频率特性的绘制

5.4奈奎斯特稳定判据

5.5控制系统的相对稳定性

5.6闭环频率特性

5.7频域响应和时域响应之间的关系

5.8MATLAB在频率分析中应用

重点：

1．在熟悉典型环节频率特性的基础上，熟练地掌握开环对数频率特性和开环幅相频率特性曲线的概略绘制方法

2．牢固地掌握奈奎斯特判据及其在系统分析中应用

3．应用开环对数渐近幅频曲线估算系统的暂态与稳定性能

难点：

学习本章难点一是应用频率特性响应分析方法来分析控制系统的时域响应特性是一

种间接方法，学生们一时难以建立起频率响应与时域响应之间的关系，二是为了求得稳定裕量，需要熟练掌握根据系统开环频率特性计算幅穿频率Wc和相穿频率Wg的各种计算方法。

教学方式：

频率响应法是根据频率特性曲线的形状及其特征量来分析研究系统的特性，而不是对系统模型求解，故在教学方式上应采用对比和互相联系方式将本章内容和第三章、第四章内容联系起来教述并运用MATLAB计算机辅助分析的手段，使学生们深入地了解它们之间内在联系和区别。

章节目第六章线性系统的校正方法（10学时）

主要内容：

6.1综合与校正的基本概念

6.2常用校正装置及其特性

6.3串联校正

6.4反馈校正

6.5设计实例

6.6利用MATLAB进行系统设计

重点：

1．熟悉各种串联无源校正装置的模型、频率特性、特点及其设计方法

2．掌握反馈校正、顺馈校正的定义、基本形式、作用和特点

3．应用MATLAB进行校正网络设计

难点：

引导学生掌握系统的综合与校正是系统分析的逆向题且有非唯一性特点，并且需要一

定的方法和经验以及通过多次试探才能收到较好效果。

教学方式：

本章内容重要特点是带有工程设计的性质，设计问题的解答从来不是唯一的，而且本章所述的许多内容都不是以充分必要的定理和准确的公式形式表达，而是作为带指导性的方法和步骤出现并应指出本章介绍只是系统校正中的一些基本方法和思路，给出的例题也是典型化和理想化。

实际的工程问题可能要复杂得多，引导学生理论联系实际，注重在实践中积累经验，才能取得较好的学习效果。

章节目第七章线性离散控制系统（10学时）

主要内容：

7.1引言

7.2采样过程的数学描述

7.3信号恢复

7.4Z变换理论

7.5采样系统数学模型

7.6离散控制系统分析

7.7数字控制器的设计

7.8MATLAB在离散系统中的应用

重点：

1．离散系统脉冲传递函数定义和求法

2．离散系统稳定性分析和静态误差计算

3．最少拍系统设计与校正

难点：

1．脉冲传递函数求法不仅与系统各个动态环节的传递函数有关,并且与采样开关及采样

开关的设置位置有关.

2．同样，离散控制系统的稳定性，除了与系统固有结构和参数相关外，还与采样周期

有关。

所以教育中应注意离散时间与连续时间系统在数学分析工具、稳定性、动态特

性、静态特性、校正和综合等方面具有一定的联系和区别，特别要注意它们的不同地

方

教学方式：

在讲解线性离散系统时，多采用对比教学法与连续系统相比较，引导学生对比学习。

关于Z变换与拉氏变换；脉冲传递函数与传递函数；W域稳定判据与S域稳定判据，让学生自己动脑分析，找出它们的相同点，找到它们的不同点。

这样既巩固了连续系统所学的知识，又加深了对采样系统的认识。

章节目第八章非线性系统理论（8学时）

主要内容：

8.1引言

8.2典型非线性特性的数学描述及其对系统性能的影响

8.3描述函数法

8.4相平面法

重点：

1．掌握非线性环节描述函数的定义和求法；非线性系统稳定性分析的描述函数法；非线性系统输出存在极限环的条件和判别极限环的稳定性

2．用分析法和图解法绘制非线性系统的相轨迹；掌握相平面图上奇点概念、分类与

作用；掌握相平面上极限环的概念与分类

难点：

1．掌握非线性系统描述函数分析法分析非线性系统是否丰存在自持振荡，如果存在，求取振荡的幅值和频率

2．绘制非线性系统的相轨迹，用相平面法分析非线性系统的运动特性。

教学方式：

在讲述非线性系统也应多采用对比教学法。

非线性系统与线性系统最大的区别是非线性系统不满足叠加原理，并且非线性系统的稳定性不仅取决于控制系统的固有结构和参数，而且与系统的初始条件及外加输入有关。

由于非线性系统的复杂性，分析非线性系统，没有一种统一的方法。

本章主要介绍的基于谐波分析的描述函数是利用非线性特性的基波传递关系作为它的近似替代，是线性系统频率特性分析法一定条件下在非线性系统中应用，主要用于分析稳定性和自持振荡。

而基于图解的相平面法亦是采用分区域线性化方法结合对奇点类型的讨论，绘制非线性系统的相轨迹，进而分析非线性系统的运动状态和稳定性。