电科电信西电版自动控制原理教案.docx

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电科电信西电版自动控制原理教案

课程基本信息

课程名称

自动控制原理

授课年级专业

电子科学与技术、电子信息工程

课程编号

064230

课程类型

必修课

校级公共课（）;基础或专业基础课（）;专业课（∨）

选修课

限选课（）;任选课（）

授课方式

课堂讲授（∨）；实践课（）；实验课（∨）；上机（）；其他（）

考核方式

考试（∨）；考查（）；其他（）；

总学时数

64/60

周学时

3+1

学分数

3.5

学时分配

课堂讲授46/48学时；实践课学时；实验课18/12学时；上机学时；

课程简介

自动控制技术已广泛应用于制造业、农业、交通、航空航天和国防等诸多领域，本课程是专门研究有关自动控制系统的基本概念、基本原理和基本方法的一门课程，也是工科院校自动控制或自动化专业及其相关专业学生必修的技术基本基础课之一。

主要内容包括：

线性系统的数学模型及其建立方法、线性系统的时域分析和领域分析、根轨迹法、线性系统校正、数字控制系统、线性控制系统、控制系统的可控性和可观性、极点配置和状态观测器设计、最优控制，以及控制系统设计。

教材名称

《自动控制原理（第二版）》

作者

薛安克/彭冬亮/陈雪亭

出版社及出版时间

西安电子科技大学出版社

20XX年9月

主

要

参

考

书

1、《自动控制理论》

2、《自动控制原理》

3、《自动控制原理典型例题解析与习题精选》

4、《自动控制原理习题解析》

作者

翁思义主编

程鹏主编

宋申民陈兴林主编

胡寿松主编

出版社及出版时间

中国电力出版社20XX年4月

高等教育出版社20XX年8月第1版

高等教育出版社20XX年8月第1版

科学出版社20XX年6月第一版

授课教师

罗文彬

职称

讲师

系别

物理与机电工程学院

授课时间

注：

表中（）选项请打“√”。

《自动控制原理》授课教案

章节

第一章绪论

教学时数

2学时

专业

电子科学与技术/电子信息工程

授课方式

理论课

其它

教学目的

与要求

1、掌握自动控制的概念、自动控制系统框图的基本构成。

2、能绘制出实际自动控制系统的框图。

3、了解自动控制系统的分类。

4、了解自动控制系统的工程控制问题的基本要求。

重点与难点

教学重点：

自动控制系统框图的基本构成、绘制出实际自动控制系统的框图；

教学难点：

绘制出实际自动控制系统的框图；

教学内容

第一章绪论

1.1自动控制系统简介

1.2自动控制系统分类

1.3自动控制理论的发展历史

1.4工程控制问题的基本要求

小结

习题

教学条件与

教学手段

多媒体教室，板书和电子幻灯课件演示课程内容。

讨论、练习、作业

课堂讨论：

P71-3、1-4

参考资料

1、《自动控制理论》翁思义主编中国电力出版社20XX年4月

2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社20XX年8月第1版

3、《自动控制原理典型例题解析与习题精选》宋申民陈兴林主编高等教育出版社20XX年8月第1版

4、《自动控制原理习题解析》胡寿松主编科学出版社20XX年6月第一版

本章小结

本章主要讨论了四个方面的内容:

自动控制系统的有关基本概念,自动控制系统的不同分类方法,自动控制理论的发展历史和工程控制问题的基本要求。

对所涉及到的有关概念和思想没有进行深入的展开,我们将在后面的章节中具体阐述。

通过对本章内容的学习,能使大家对自动控制理论有一个初步的了解,便于后面章节的学习。

《自动控制原理》授课教案

章节

第二章　线性系统的数学描述

教学时数

7学时

专业

电子科学与技术/电子信息工程

授课方式

理论课

其它

教学目的

与要求

1、掌握线性系统的时域数学模型的建立方法。

2、掌握线性微分方程的求解方法。

3、掌握传递函数的2种建立方法。

4、掌握利用信号流图与梅逊公式就复杂系统输出与输入的关系的方法。

5、掌握线性定常系统数学模型的MATLAB实现方法。

重点与难点

教学重点：

线性系统的时域数学模型的建立、线性微分方程的求解、拉普拉氏变换、传递函数的建立、信号流图与梅逊公式；

教学难点：

线性系统的时域数学模型的建立、线性微分方程的求解、信号流图与梅逊公式；

教学内容

第二章线性系统的数学描述

2.1线性系统的时域数学模型

2.2传递函数

2.3结构图

2.4信号流图

2.5线性定常系统数学模型的MATLAB实现

小结

习题 

教学条件与

教学手段

多媒体教室，板书和电子幻灯课件演示课程内容。

讨论、练习、作业

课后作业：

P332-7、另补充1题

课堂讨论：

P322-6、2-8

参考资料

1、《自动控制理论》翁思义主编中国电力出版社20XX年4月

2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社20XX年8月第1版

3、《自动控制原理典型例题解析与习题精选》宋申民陈兴林主编高等教育出版社20XX年8月第1版

4、《自动控制原理习题解析》胡寿松主编科学出版社20XX年6月第一版

本章小结

本章重点讨论了线性控制系统的四种数学模型,即运动方程（时域模型）、传递函数（复域模型）、结构图、信号流图。

主要研究内容包括:

（1）动态系统微分方程的建立;

（2）传递函数的定义和性质;

（3）系统结构图的绘制方法和简化,以及如何从结构图求取系统的传递函数;

（4）信号流图的概念和性质,以及如何运用梅逊公式获取系统的传递函数;

（5）用MATLAB建立系统模型的方法,以及各模型之间的相互转化问题。

《自动控制原理》授课教案

章节

第三章　线性系统的时域分析法

教学时数

6学时

专业

电子科学与技术/电子信息工程

授课方式

理论课

其它

教学目的

与要求

1、掌握线性系统动态性能和稳态性能的实验测定方法。

动态性能指标：

延迟时间td、上升时间tr、峰值时间tp、调节时间ts、最大超调量σp、振荡次数N。

2、掌握线性一阶系统的时域分析方法。

为系统加入单位阶跃信号

1（t）、单位脉冲信号δ（t）、单位斜坡信号时系统的信号响应t。

3、掌握线性二阶系统的时域分析方法。

针对阻尼比系数ξ在不同取值范围时系统闭环特征根的分布情况，对阻尼比系数0<ξ<1时，二阶系统性能指标的计算：

上升时间tr、峰值时间tp、最大超调量σp、过渡过程时间ts、振荡次数N。

4、掌握线性系统的稳定性判别方法。

采用劳斯稳定判据判别，考虑系统稳定与不稳定，不稳定又分成3种情况。

5、掌握线性控制系统的稳态误差分析方法。

系统类型的判别，静态误差、静态速度误差、静态加速度误差的计算方法。

重点与难点

教学重点：

性系统动态性能和稳态性能的实验测定方法、线性一阶系统的时域分析方法、二阶系统的时域分析方法、劳斯稳定判据；

教学难点：

二阶系统的时域分析方法；

教学内容

第三章线性系统的时域分析法

3.1动态和稳态性能指标

3.2一阶系统的时域分析

3.3二阶系统的时域分析

3.4高阶系统的时域分析

3.5线性系统的稳定性分析

3.6控制系统的稳态误差

3.7基于MATLAB的线性系统时域分析

小结

习题 

教学条件与

教学手段

多媒体教室，板书和电子幻灯课件演示课程内容。

讨论、练习、作业

课后作业：

P603-2、3-3、3-6（3）P613-12

课堂讨论：

P613-11

参考资料

1、《自动控制理论》翁思义主编中国电力出版社20XX年4月

2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社20XX年8月第1版

3、《自动控制原理典型例题解析与习题精选》宋申民陈兴林主编高等教育出版社20XX年8月第1版

4、《自动控制原理习题解析》胡寿松主编科学出版社20XX年6月第一版

本章小结

本章根据系统的时间响应分析了系统的动态性能、稳态性能以及稳定性。

其主要的研究内容有以下几个方面：

（1）通过讨论系统在典型信号下的时间响应,定义了描述系统动态和稳态性能的一系列指标。

动态性能指标通常用单位阶跃响应的上升时间、超调量和调节时间表示;稳态性能用稳态误差表示。

（2）分析了一阶、二阶和高阶系统在一些典型输入信号作用下的时间响应。

重点研究了二阶欠阻尼系统的单位阶跃响应,以及其动态性能指标的计算方法;还指出,对于高阶系统在一些条件下可以用低阶系统代替。

（3）系统的稳定性是系统正常工作的前提。

本章简要介绍了稳定性的概念,指出线性定常系统的稳定性由其闭环极点的位置决定,同时还介绍了线性定常系统稳定性的一种代数判别方法——劳斯判据。

（4）稳定的控制系统存在控制精度问题,这个控制精度通常用稳态误差来描述。

本章给出了控制系统稳态误差的定义、计算方法以及减小稳态误差的途径。

（5）通过例题介绍了MATLAB在线性系统的时域分析中的应用。

《自动控制原理》授课教案

章节

第四章　根轨迹法

教学时数

5学时

专业

电子科学与技术/电子信息工程

授课方式

理论课

其它

教学目的

与要求

1、掌握根轨迹的基本概念及绘制条件。

2、掌握根轨迹的绘制方法。

重点与难点

教学重点：

根轨迹的绘制方法；

教学难点：

根轨迹的绘制方法；

教学内容

第四章根轨迹法

4.1根轨迹的基本概念

4.2根轨迹的绘制

4.3系统性能的分析

小结

习题

教学条件与

教学手段

多媒体教室，板书和电子幻灯课件演示课程内容。

讨论、练习、作业

课后作业：

P724-5P734-9

课堂讨论：

P724-7

参考资料

1、《自动控制理论》翁思义主编中国电力出版社20XX年4月

2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社20XX年8月第1版

3、《自动控制原理典型例题解析与习题精选》宋申民陈兴林主编高等教育出版社20XX年8月第1版

4、《自动控制原理习题解析》胡寿松主编科学出版社20XX年6月第一版

本章小结

根轨迹法的基本思想是在已知开环传递函数的基础上,确定闭环传递函数极点分布与参数变化之间的关系。

根轨迹法不仅是一种研究闭环系统特征根的简便作图方法,而且还可以用来分析控制系统的某些性能。

本章主要研究了以下几方面的内容:

（1）根轨迹的基本概念;

（2）绘制根轨迹的一般规则和常规的绘制方法,以及在MATLAB环境下如何精确绘制系统的根轨迹;

（3）简要介绍了根轨迹法在控制系统性能分析中的应用。

《自动控制原理》授课教案

章节

第五章　频率响应法

教学时数

7学时

专业

电子科学与技术/电子信息工程

授课方式

理论课

其它

教学目的

与要求

1、掌握频率特性概念，利用频率特性的概念分析系统的稳态输出响应。

2、掌握典型环节的频率特性，包括奈氏图和波特图的绘制方法，典型环节的传递函数。

3、掌握控制系统开环频率特性曲线的绘制方法。

包括开环频率特性奈氏图的绘制方法、开环频率特性波特图的绘制方法。

4、掌握0型系统、I型系统、II型系统及II型以上系统的奈氏判据判别系统稳定性的方法，对数频率稳定判据判别系统稳定性的方法。

5、掌握相角裕度和增益裕度的求解方法，及利用其判别系统稳定性的方法。

6、掌握闭环系统的频域性能指标的测试方法。

重点与难点

教学重点：

开环频率特性奈氏图的绘制方法、开环频率特性波特图的绘制方法、奈氏判据、相角裕度和增益裕度的求解方法；

教学难点：

开环频率特性奈氏图的绘制方法、开环频率特性波特图的绘制方法、奈氏判据、相角裕度和增益裕度的求解方法；

教学内容

第五章频率响应法

5.1频率特性

5.2典型环节的频率特性

5.3控制系统开环频率特性曲线的绘制

5.4频域稳定性判据

5.5稳定裕度

5.6闭环系统的频域性能指标

5.7频率特性的试验确定方法

小结习题

教学条件与

教学手段

多媒体教室，板书和电子幻灯课件演示课程内容。

讨论、练习、作业

课后作业：

P1125-1P1135-3P1145-105-12另补充1题

课堂讨论：

P1135-8课堂补充

参考资料

1、《自动控制理论》翁思义主编中国电力出版社20XX年4月

2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社20XX年8月第1版

3、《自动控制原理典型例题解析与习题精选》宋申民陈兴林主编高等教育出版社20XX年8月第1版

4、《自动控制原理习题解析》胡寿松主编科学出版社20XX年6月第一版

本章小结

频率响应法是控制理论的重要组成部分,又是研究控制系统的一种工程方法。

它是一种常用的图解分析法,其特点是可以根据系统的开环频率特性去判断闭环系统的性能,并能较方便地分析系统参量对时域响应的影响,从而指出改善系统性能的途径。

学习本章应掌握以下几个方面的基本内容:

（1）频率特性的定义及其物理意义,典型环节的频率特性奈氏图和伯德图,进而绘制复杂系统的奈氏图和伯德图。

虽然用MATLAB可以方便地绘制这两种图,但如果不甚明了其原理且不善于迅速地画出图像和进行实际分析,那么这种工程方法的优点也就失去了一大半。

（2）若系统传递函数的极点和零点都位于s平面的左半部,则这种系统称为最小相位系统。

反之,若系统的传递函数具有位于s平面右半部的极点或零点,则这种系统称为非最小相位系统。

对于最小相位系统,幅频和相频特性之间存在着唯一的对应关系,即根据对数幅频特性,可以唯一地确定相应的相频特性和传递函数。

而对非最小相位系统则不然。

（3）奈氏稳定判据是频率响应法的核心,可以用系统的开环频率特性去判断闭环系统的稳定性。

依据开环频率特性不仅能够定性地判断闭环系统的稳定性,而且可以定量地反映系统的相对稳定性,即稳定的程度。

系统的相对稳定性通常用相角裕度和增益裕度来衡量。

（4）时域分析中的性能指标直观反映系统动态响应的特征,属于直接性能指标。

而系统频域性能指标可以作为间接性能指标。

常用的闭环系统的频域性能指标有两个,一是谐振峰值Mr,反映系统的相对稳定性;另一个是频带宽度或截止频率ωb,反映系统的快速性。

（5）频率响应法突出的优点是:

物理意义明确并且可以用实验的方法测定出来。

在难以用解析方法确定系统频率特性的情况下,这点具有特别重要的意义。

一旦测出频率特性,系统的传递函数也就确定了。

《自动控制原理》授课教案

章节

第六章　线性系统的校正方法

教学时数

6学时

专业

电子科学与技术/电子信息工程

授课方式

理论课

其它

教学目的

与要求

1、了解线性系统校正的基本概念。

2、了解线性系统的基本控制规律。

3、了解常用校正装置及其特性。

4、掌握串联相位超前校正的方法、串联相位滞后校正的方法。

重点与难点

教学重点：

串联相位超前校正的方法、串联相位滞后校正的方法；

教学难点：

串联相位超前校正的方法、串联相位滞后校正的方法；

教学内容

第六章线性系统的校正方法

6.1校正的基本概念

6.2线性系统的基本控制规律

6.3常用校正装置及其特性

6.4串联校正

小结

习题

教学条件与

教学手段

多媒体教室，板书和电子幻灯课件演示课程内容。

讨论、练习、作业

课堂讨论：

P127例6-3P129例6-4

参考资料

1、《自动控制理论》翁思义主编中国电力出版社20XX年4月

2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社20XX年8月第1版

3、《自动控制原理典型例题解析与习题精选》宋申民陈兴林主编高等教育出版社20XX年8月第1版

4、《自动控制原理习题解析》胡寿松主编科学出版社20XX年6月第一版

本章小结

控制系统的校正主要有两个目的,一是使不稳定的系统经过校正变为稳定,二是改善系统的动态和静态性能。

但在具体采用何种校正方案时,应考虑被控对象的特点和控制的目的。

例如,若未校正系统是一个一阶系统,希望校正后为无静差系统,则需增加积分环节的控制器。

又如,若系统的期望指标是频域的,则用频域法校正。

线性系统的基本控制规律有比例控制、微分控制和积分控制。

应用这基本控制规律的组合构成校正装置,附加在系统中,可以达到校正系统特性的目的。

反馈校正是工程中常用的校正手段,它的主要特点是在一定频率范围内用校正装置传递函数的倒数去改造对象。

大多数情况下,反馈校正是与串联校正结合使用的。

其中速度反馈是反馈校正的主要形式。

复合控制虽然在实际上不能使输出响应完全复现参考输入,或完全不受扰动影响,但如使用得当,对提高稳态精度有明显作用,对暂态性能则作用有限。

本章内容的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,所以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的形式表达出来的,而只是作为带指导性的方法和步骤出现。

这是在学习本章时应当特别注意的。

《自动控制原理》授课教案

章节

第七章　数字控制系统分析基础

教学时数

6学时

专业

电子科学与技术/电子信息工程

授课方式

理论课

其它

教学目的

与要求

1、了解Z变换的基本概念。

2、了解信号的采样与保持。

3、掌握Z变换的性质、Z变换的方法、Z反变换的方法。

4、掌握脉冲传递函数的基本概念、开环闭环脉冲传递函数的建立方法。

5、了解数字控制系统的稳定性、数字控制系统的稳态误差、数字控制系统的动态性能、数字控制系统的控制的分析方法。

重点与难点

教学重点：

Z变换的性质、Z变换的方法、Z反变换的方法、开环闭环脉冲传递函数的建立方法；

教学难点：

Z变换的方法、Z反变换的方法、开环闭环脉冲传递函数的建立方法；

教学内容

第七章数字控制系统分析基础

7.1引言

7.2信号的采样与保持

7.3Z变换理论

7.4脉冲传递函数

7.5数字控制系统的性能与控制

小结

习题

教学条件与

教学手段

多媒体教室，板书和电子幻灯课件演示课程内容。

讨论、练习、作业

课堂讨论：

P1657-2

参考资料

1、《自动控制理论》翁思义主编中国电力出版社20XX年4月

2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社20XX年8月第1版

3、《自动控制原理典型例题解析与习题精选》宋申民陈兴林主编高等教育出版社20XX年8月第1版

4、《自动控制原理习题解析》胡寿松主编科学出版社20XX年6月第一版

本章小结

由于计算机的迅速发展,数字控制系统的应用日益广泛。

本章介绍了线性采样（离散）控制系统的分析与设计方法。

离散系统与连续系统在数学分析工具、稳定性、稳态特性、动态特性以及控制（校正）等各方面都具有一定的联系与区别。

许多结论都具有类似的形式,在学习时要注意对照和比较,特别要注意它们不同的地方。

采样系统中具有采样开关,采样过程可视为一种脉冲调制过程。

为能无失真地恢复连续信号,采样频率的选定应符合香农采样定理。

为了将离散信号转换为连续信号,需要在连续对象前面加入保持器,常用的是零阶保持器。

处理离散系统的基本数学工具是Z变换。

这一部分与拉氏变换类似。

离散系统的脉冲传递函数与连续系统的一样重要。

系统的环节间有无采样开关,其传递函数是不一样的。

离散系统的稳定性可由z平面和s平面的映射关系推导出,为了应用代数稳定判据,必须经过双线性变换。

稳态特性和动态特性与连续系统基本上是一一对应的。

离散系统控制器的设计则有两种方法:

连续化设计和离散化设计。

《自动控制原理》授课教案

章节

第九章　线性系统的状态空间描述与分析

教学时数

7学时

专业

电子科学与技术/电子信息工程

授课方式

理论课

其它

教学目的

与要求

（1）、掌握状态空间表达式的建立方法。

（2）、掌握状态转移矩阵的建立方法。

（3）、掌握线性定常系统的可观性和可观性的判断方法。

重点与难点

教学重点：

状态空间表达式的建立方法、状态转移矩阵的建立方法、线性定常系统的可观性和可观性的判断方法；

教学难点：

状态空间表达式的建立方法、状态转移矩阵的建立方法、线性定常系统的可观性和可观性的判断方法；

教学内容

9.1状态空间描述的基本概念

9.2状态空间表达式的建立

9.4状态转移矩阵

9.6可控性和可观性

教学条件与

教学手段

多媒体教室，板书和电子幻灯课件演示课程内容。

讨论、练习、作业

参考资料

1、《自动控制理论》翁思义主编中国电力出版社20XX年4月

2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社20XX年8月第1版

3、《自动控制原理典型例题解析与习题精选》宋申民陈兴林主编高等教育出版社20XX年8月第1版

4、《自动控制原理习题解析》胡寿松主编科学出版社20XX年6月第一版

本章小结

本章所讨论的内容是现代控制理论的重要组成部分，以状态空间描述来分析系统的内部特征可以揭示许多传递函数不能反映的系统特征。

本章具体讨论了如下内容：

（1）状态空间的基本概念。

状态、状态向量、状态方程、输出方程、状态空间表达式等基本概念，是现代控制理论研究的基础。

同一个系统，其状态的选取是不唯一的，但不同方法选取的状态变量之间存在某种变换关系。

（2）线性定常系统状态空间表达式的建立方法。

通过机理分析法、传递函数或微分方程、方块图三种途径都可以建立系统的状态空间模型，并且传递函数或微分方程表示的系统外部描述与状态空间表达式表示的系统内部描述之间存在一定的转换关系，其中由传递函数求取状态空间表达式的问题称为系统实现问题，其结果具有不唯一性。

（3）线性定常系统的可控性和可观性。

系统的可控性指的是控制作用对状态变量的影响，可观性则指的是能否从输出量中获得状态变量的信息。

这连个概念是现代控制理论的两个基本概念。

在给出这两个基本概念的定义后，重点讨论了线性定常连续和离散系统可控性和可观性的基本判据。

《自动控制原理》授课教案

章节

期末复习

教学时数

2学时

专业

电子科学与技术/电子信息工程

授课方式

理论课

其它

教学目的

与要求

1、介绍期末考试的题型

2、总结各章节的知识结构、重点、难点

重点与难点

教学重点：

第二章、第三章、第四章、第五章；

教学难点：

第二章、第三章、第四章、第五章；

教学内容

1、期末考试的5种题型；

2、复习第一章绪论；

3、复习第二章线性系统的数学描述；

4、复习第三章线性系统的时域分析法；

5、复习第四章根轨迹法；

6、复习第五章频率响应法；

7、复习第六章线性系统的校正方法；

8、复习第七章数字控制系统分析基础；

教学条件与

教学手段

多媒体教室，板书和电子幻灯课件演示课程内容。

讨论、练习、作业

参考资料

1、《自动控制理论》翁思义主编中国电力出版社20XX年4月

2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社20XX年8月第1版

3、《自动控制原理典型例题解析与习题精选》宋申民陈兴林主编高等教育出版社20XX年8月第1版

4、《自