自动控制原理B教案HWord格式.docx

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2．刘志鸿.自动控制原理实验指导书.自编.2009

主要参考资料：

1．李友善.自动控制原理（第三版）.北京：

国防工业出版社.2005

2．吴麒.自动控制原理（第二版）.北京：

清华大学出版社.2006

3．RichardC.Dorf.ModernControlSystems（第九版）.北京：

科学出版社.2002

4．胡寿松.自动控制原理（第五版）.北京：

科学出版社.2007

教学目的、要求：

通过本课程的学习，使学生掌握用系统的观点分析问题和解决问题，了解用物理方法对工业对象进行数学抽象的一般规律，理解描述对象特性的一些基本概念，掌握不同类型对象特性的分析方法。

具有初步的系统分析和设计能力，为后续课程的学习和从事专业技术工作奠定基础。

1．了解自动控制系统的组成及分类，掌握系统方框图的绘制方法；

2．了解建立系统微分方程的一般方法；

掌握传递函数的概念、定义和性质；

掌握结构图等效变换的方法；

3．掌握控制系统的三种典型分析方法：

时域分析法、频率特分析性和根轨迹法；

4．掌握串联校正的设计方法；

5．掌握离散系统的稳定性判定方法、稳态误差的分析方法；

教学重点、难点：

该课程简要介绍物理系统的一般建模方法，着重介绍反馈控制原理的三种基本分析方法，一般系统的设计方法，简略介绍离散控制系统的分析方法，为学生将来从事自动控制方面的设计奠定理论基础。

其教学重点和难点为

1．控制系统的复数域数学模型和结构图等效变换；

2．二阶系统的时域分析，线性系统的稳定性分析及稳态误差计算；

3．系统根轨迹及其系统性能的影响；

频率特性分析和频率域稳定判据；

4．串联校正的设计方法；

5．离散系统的稳定性分析和稳态误差计算；

注：

1、本页内容针对所讲授课程的总体情况填写；

2、预留版面不够可另附页。

内蒙古工业大学教案（课次）

第1次课2学时

授课题目：

第一章绪论

§

1-1自动控制的基本概念

1-2自动控制系统的分类

1-3自动控制系统的发展简史

1-4对自动控制系统的基本要求

1-5本课程的安排

了解自动控制理论的发展历史，掌握自动控制的基本原理和方式，掌握自动控制系统的分类以及对自动控制系统的基本要求。

教学重点：

自动控制的基本原理和方式；

教学难点：

自动控制的基本原理

教学组织（含课堂教学内容、教学方法、辅助手段、师生互动、时间分配、板书设计等）：

1-1自动控制的基本概念（0.5学时）

自动控制技术（人工控制和自动控制）

1-2自动控制系统的分类（0.7学时）

自动控制系统的分类

（1）分类方法

（2）分类

控制系统的几个概念

线性、非线性、连续、离散、定常、时变等

1-3自动控制系统的发展简史（0.5学时）

1．控制理论胚胎与萌芽期

2．经典控制理论的孕期与形成时期（ClassicalControl）

3．现代控制时期（ModernControl）

4．智能控制时期

1-4对自动控制系统的基本要求（0.2学时）

1．基本要求的提法

（1）稳定性

（2）快速性（3）准确性

2．所研究的任务

1-5本课程的安排（0.1学时）

作业布置：

无

1．[美]KatsuhikoOgata.现代控制工程.北京：

电子工业出版社.2003

2．RichardC.Dorf.ModernControlSystems（第九版）.北京：

课后自我总结分析：

各栏大小可根据需要进行调整。

第4次课2学时

2-4拉氏反变换

2-5拉氏变换的应用

掌握拉氏反变换的方法，理解应用拉氏变换解微分方程的方法。

利用部分分式法求拉氏反变换。

一、反变换的定义

二、部分分式法求解拉氏反变换

1、分母多项式无重根举四个例子具体说明

2、分母多项式有重根举两个例子具体说明

三、利用卷积定理求反变换

举例说明

用拉氏变换法求解微分方程

通过举例，说明用拉氏变换法解微分方程的步骤及方法。

自编作业题

1．胡寿松.自动控制原理（第四版）.北京：

科学出版社.2001

2．李友善.自动控制原理（修订版）.北京：

国防工业出版社.1989

3．吴麒.自动控制原理.北京：

清华大学出版社.1990

第5次课2学时

第三章线性系统的数学模型

3-1控制系统的时域数学模型

3-2控制系统的复数域数学模型

了解建立系统微分方程的一般方法，掌握传递函数的概念、定义和性质。

了解传递函数的局限性，掌握传递函数的求取方法，熟悉典型环节及其传递函数。

传递函数的概念、定义和性质；

传递函数的求取方法。

传递函数的性质及求取方法。

2-1控制系统的时域数学模型（0.4学时）

一、数学模型（0.2学时）

1．数学模型的概念

2．数学模型的形式

3．数学模型的建立

二、列写微分方程的一般方法（0.2学时）

举例说明列写微分方程的一般方法

2-2控制系统的复数域数学模型（1.6学时）

一、传递函数的定义（0.2学时）

二、传递函数的局限性（0.2学时）

三、传递函数的性质（0.3学时）

四、传递函数的表达形式（0.3学时）

1．零—极点表达形式

2．时间常数表达形式

五、典型环节及其传递函数（0.6学时）

1．比例环节2．惯性环节3．一阶微分环节4．积分环节

5．理想微分环节6．振荡（二阶振荡）环节7．二阶微分环节

8．延迟环节

2-1（a）2-2（a）

1．胡寿松.自动控制原理（第五版）.北京：

2．李友善.自动控制原理（第三版）.北京：

3．吴麒.自动控制原理（第二版）.北京：

第6次课2学时

3-3典型环节的数学模型

3-4控制系统的结构图与信号流图

了解典型环节的传递函数；

掌握结构图的组成及等效变换原则。

结构图的等效变换

3-3典型环节及其传递函数（0.5学时）

1．比例环节

2．惯性环节

3．一阶微分环节

4．积分环节

5．理想微分环节

6．振荡（二阶振荡）环节

7．二阶微分环节

§

一、结构图的组成（0.2学时）

二、结构图的三种基本连接方式（0.2学时）

1、串联

2、并联

3、反馈

三、结构图的等效变换及简化

1、6个等效变换法则（0.5学时）

2、举例讲解等效变换的应用（0.6学时）

2-8（a）

第7次课2学时

掌握结构图的等效变换原则；

理解信号流图的组成及性质，掌握应用梅森增益公式化简结构的方法。

结构图的等效变换；

梅森增益公式。

举例讲解等效变换的应用（0.6学时）

四、信号流图及梅森增益公式

1．信号流图的组成及性质（0.7学时）

（1）信号流图

（2）信号流图使用的术语

（3）信号流图的性质

（4）信号流图的绘制

（5）信号流图的等效变换

2．梅森增益公式（0.7学时）

（1）梅森增益公式

（2）举例

2-102-12

第8次课2学时

第四章线性系统的时域分析法

4-1系统时间响应的性能指标

4-2一阶系统时间响应

掌握系统时间响应的性能指标，掌握一阶系统的数学模型、典型时域响应特点及特征参数。

系统时间响应的性能指标。

教学组织（含课堂教学内容、教学方法、辅助手段、师生互动、时间分配、板书设计等）：

4-1系统时间响应的性能指标（1学时）

1．典型输入信号

2．典型初始状态

3．典型时间响应

4．阶跃响应的性能指标

4-2一阶系统的时间响应（1学时）

1．一阶系统的数学模型

2．一阶系统的单位阶跃响应

3．一阶系统的单位脉冲响应

4．一阶系统的单位斜坡响应

5．一阶系统的单位加速度响应

第9次课2学时

4-3二阶系统的时间响应

掌握二阶系统的数学模型、典型时域响应特点及特征参数。

掌握欠阻尼二阶系统特征参数、极点位置与动态性能之间的相互关系。

欠阻尼二阶系统的响应特征

4-3二阶系统的时间响应（2学时）

1．二阶系统的数学模型

2．二阶系统的单位阶跃响应

（1）负阻尼情况

（2）零阻尼情况

（3）欠阻尼情况

（4）过阻尼情况

（5）欠阻尼二阶系统的动态过程分析

3．二阶系统性能的改善

（1）比例—微分控制

（2）测速反馈控制（微分反馈）

第10次课2学时

4-4线性系统的稳定性分析

掌握系统稳定性概念及稳定的充要条件，能够熟练运用劳斯稳定判据判断系统的稳定性，并进行相关的分析计算。

劳斯稳定判据

1．稳定的概念（0.5学时）

2．稳定的数学条件及其定义（0.5学时）

3．稳定性判据（1学时）

（1）线性系统稳定的必要条件

（2）劳斯稳定判据

●判据的内容

●举例讲解劳斯表的计算

●劳斯表的特殊情况处理

●劳斯表的应用

3-15

（1）（3）3-16

（1）

第11次课2学时

4-5线性系统的稳态误差计算

正确理解稳态误差的概念，掌握稳态误差的计算方法，了解减小或消除稳态误差的措施。

稳态误差概念的理解，稳态误差的计算方法

4-5线性系统的稳态误差计算（2学时）

1．误差及稳态误差的定义

（1）误差的定义

（2）稳态误差的定义

2．稳态误差的计算

（1）用拉氏变换的终值定理求稳态误差

（2）用静态误差系数求稳态误差

（3）用动态误差系数求稳态误差

3．扰动作用下的稳态误差

4．减小或消除稳态误差的措施

（1）增大系统开环增益

（2）增加系统型别

（3）应用顺馈补偿扰动信号对系统输出的影响

（4）应用顺馈补偿输入信号对系统输出的影响

第12次课2学时

第五章线性系统的根轨迹法

5-1根轨迹法的基本概念

5-2根轨迹绘制的基本法则

正确理解根轨迹的概念。

掌握根轨迹绘制的基本法则。

掌握绘制常规根轨迹的方法。

根轨迹的理解，根轨迹绘制的基本法则

5-1根轨迹法的基本概念（1.5学时）

1．根轨迹法的提出

（1）闭环零极点的作用

（2）闭环零极点的调整

（3）闭环零极点的求解

2．根轨迹法

3．绘制根轨迹的基本条件

（1）根轨迹方程

（2）相角条件和模值条件

5-2根轨迹绘制的基本法则（0.5学时）

（1）根轨迹的起点和终点

（2）根轨迹的分支数、对称性和连续性

5-3广义根轨迹

5-2根轨迹绘制的基本法则（2学时）

（3）根轨迹的渐进线

（4）根轨迹在实轴上的分布

（5）根轨迹的分离点和会合点

（6）根轨迹的起始角和终止角

（7）根轨迹与虚轴的交点

通过举例，说明根轨迹绘制法则的应用方法，掌握常规根轨迹的绘制。

1、参数根轨迹

2、零度根轨迹

4-2

（1）4-3

5-4系统的性能分析

掌握绘制参数根轨迹和零度根轨迹的方法。

能够根据根轨迹定性分析系统指标随参数变化的趋势。

根据根轨迹定性分析系统指标

5-3广义根轨迹（1学时）

1．参数根轨迹

（1）参数根轨迹的基本概念

（2）参数根轨迹方程

2．零度根轨迹

（1）零度根轨迹的概念

（2）零度根轨迹方程

（3）零度根轨迹绘制法则

（4）零度根轨迹和180°

根轨迹图的比较

4-4系统性能的分析（1学时）

1．附加开环零点对系统根轨迹的影响

2．闭环零、极点与时间响应

3．举例

第13次课2学时

习题课

一、控制系统的数学模型

二、线性系统的时域分析法

三、线性系统的根轨迹法

复习控制系统的数学模型建立、结构图化简、信号流图及其Mason公式；

复习系统时域指标、典型二阶系统时域性能指标以及高阶系统的性能估算；

复习代数稳定性判据（Routh判据）及其应用；

稳态误差的分析和计算；

复习根轨迹的绘制方法和利用根轨迹分析系统性能的方法。

结构图化简、时域指标、典型二阶系统时域性能指标、高阶系统的性能估算、代数稳定性判据、根轨迹的绘制方法、利用根轨迹分析系统性能。

一、控制系统的数学模型（0.6学时）

1．数学模型的建立

2．结构图化简

3．信号流图及其Mason公式

二、线性系统的时域分析法（0.8学时）

1．时域指标

2．典型二阶系统的时域性能指标

3．闭环主导极点及高阶系统性能指标估算

4．Routh判据

5．稳态误差的分析和计算

三、线性系统的根轨迹法（0.6学时）

1．根轨迹的绘制法则

2．开环零、极点与根轨迹的关系

3．利用根轨迹分析系统的性能

本节为习题课，主要以举例为主，利用例子来说明这些内容的相互关系和在课程中的作用。

第14次课2学时

第六章线性系统的频域分析法

6-1频率特性

6-2典型环节的频率特性

掌握频率特性的概念。

掌握典型环节的开环幅相曲线的绘制。

频率特性的概念。

典型环节的开环幅相曲线的绘制。

6-1频率特性（1学时）

1．正弦信号输入时系统稳态解的求法

2．频率特性的基本概念

（1）幅频特性

（2）相频特性

（3）频率特性

3．频率特性的描述

（1）解析描述

复数形式

指数形式（矢量形式）

复数形式与指数形式的关系

（2）几何形式

极坐标图（Nyquist图）

对数坐标图（Bode图）

1.开环幅相曲线的绘制

比例环节、积分环节、微分环节、一阶微分环节、惯性环节、振荡环节

第15次课2学时

6-3系统开环频率特性的绘制

掌握典型环节的对数坐标图的绘制。

掌握简单系统开环幅相曲线的绘制。

典型环节的对数坐标图的绘制。

简单系统开环幅相曲线的绘制。

2.对数坐标图的绘制

1.简单系统开环幅相曲线的绘制

（1）绘制步骤

（2）举例说明福相曲线的绘制

（3）开环幅相曲线的一般形状

5-1

（2）（3）

第16次课2学时

掌握简单系统对数频率特性曲线的绘制。

简单系统对数频率