自動控制原理課程教案(電氣專54課時).doc

自動控制原理課程教案課程名稱： 自動控制原理 學時/學分： 54/3 開課系部： 機電系 適用專業(yè)： 電氣自動化 教案編寫： 王鋒 山東農(nóng)業(yè)工程學院教務處制課程名稱自動控制原理授課專業(yè)電氣自動化班級14級課程代碼課程類型專業(yè)基礎必修課程（ ）；選修課程（ ）授課方式課堂講授（ ）；實驗（ ）實訓操作（ ）；討論（ ）；上機（ ）考核方式閉 卷（ ）；開 卷（ ）；課程論文（ ）具體操作（ ）；多種形式結合（ ）課程教學總學時數(shù)54學時學分數(shù)3 學分學時分配課堂講授 38 學時；實驗課 0 學時；實訓操作 學時；討 論 學時；上機 16 學時教材名稱自動控制原理作者劉文定、謝克明出版社及出版時間電子工業(yè)出版處2013年1月指 定參考資料自動控制原理作者胡壽松出版社及出版時間科學出版社2013年3月授課教師王鋒職稱講師系部機電授課時間第一章：自動控制的一般概念（4學時）補充：拉普拉斯變換（4學時）第二章：控制系統(tǒng)的數(shù)學模型（12學時）第三章：線性系統(tǒng)的時域分析法（12學時）第五章：線性系統(tǒng)的頻域分析法（14學時）第六章：線性系統(tǒng)的校正方法（8學時）備注以上每一章課時包括本章對應實驗的課時在內(nèi)。章節(jié) 第一章學時4授課類型講授教學目的要求1 要求學生了解自動控制系統(tǒng)的基本概念、基本變量、基本組成及工作原理2 理解信息反饋的含義和作用，區(qū)別開環(huán)控制和閉環(huán)控制3 繪制控制系統(tǒng)方框圖教學重點難點1廣義系統(tǒng)的信息反饋及控制系統(tǒng)方框圖的繪制教學方法手段 采用工程實例和設疑方法引導學生用系統(tǒng)論，信息論觀點分析廣義系統(tǒng)的動態(tài)特征、信息流，理解信息反饋的作用。繪制控制系統(tǒng)方框圖。在講述控制理論發(fā)展史引入我國古代指南車和“二彈一星”特殊貢獻科學家錢學森在自動控制理論方面的成就， 進行愛國主義和專業(yè)教育。在講述控制系統(tǒng)系統(tǒng)設計概論，引用轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速控制和磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng)的設計實例，強化設計訓練。教學分組無參考資料自動控制原理黃堅，高等教育出版社教學內(nèi)容及過程旁批教學內(nèi)容與教學設計1、 動控制理論的基本概念；自動控制系統(tǒng)；控制器；自動控制過程；自動控制系統(tǒng)舉例。2、自動控制理論的形成；為了適應大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的需要；工業(yè)革命需要；軍事發(fā)展需要。3、自動控制理論發(fā)展歷史；2次世界大戰(zhàn)形成經(jīng)典控制理論；60年代-70年代形成現(xiàn)代控制理論；70年代形成大系統(tǒng)理論；后來形成智能控制理論。4、自動控制的基本原理；給定控制量；生產(chǎn)過程參數(shù)變化或系統(tǒng)受到干擾偏離系統(tǒng)要求；形式控制誤差；控制器調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程，消除誤差。5、自動控制的基本控制方式；開環(huán)控制；閉環(huán)控制；反饋控制；前饋控制；復合控制。6、反饋控制理論；自動控制系統(tǒng)舉例；函數(shù)記錄儀；電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)；鍋爐液位控制系統(tǒng)。1、 自動控制系統(tǒng)的分類；線性連續(xù)控制系統(tǒng)；恒值控制系統(tǒng)；隨動控制系統(tǒng)；程序控制系統(tǒng)。線性定常離散控制系統(tǒng)；非線性控制系統(tǒng)。2、 自動控制系統(tǒng)的基本要求；穩(wěn)定性；快速性；準確性。3、 典型輸入：階躍函數(shù)，斜坡函數(shù)，脈沖函數(shù)，正弦函數(shù)。4、課程性質(zhì)。思考與訓練習題1-1,1-2,1-3,1-5，課后小結本章作為緒論，已較全面地展示了控制理論課程的全貌，敘述了今后在課程的學習中要進行研究的各個環(huán)節(jié)內(nèi)容和要點，為了今后的深入學習和理解，要特別注意本章給出的一些專業(yè)術語及定義。章節(jié) 補充：拉布拉斯變換學時2授課類型講授教學目的要求掌握拉普拉斯變換的定義、性質(zhì)和反變換的應用，主要掌握運算電路圖的畫法，熟練掌握用拉普拉斯變換分析電路；掌握躍變的概念，了解卷積和網(wǎng)絡函數(shù)的應用。教學重點難點教學重點：拉普拉斯變換的定義、性質(zhì)和反變換的應用；運算電路圖的畫法；用拉普拉斯變換分析線性電路；網(wǎng)絡函數(shù)（加沖激函數(shù)）和卷積的概念。教學難點：拉普拉斯反變換（單根、復根、重根）；運算電路圖；復頻域分析法；卷積。教學方法手段1、板書講述拉普拉斯變換的定義，交代復頻域的概念。2、拉普拉斯變換存在的條件。3、拉普拉斯反變換。4、9個性質(zhì)的推導、證明及應用舉例。5、例題和練習題。教學分組無參考資料工程數(shù)學高等教育出版社教學內(nèi)容及過程教學內(nèi)容與教學設計引言拉普拉斯拉斯變換可用于求解常系數(shù)線性微分方程，是研究線性系統(tǒng)的一種有效而重要的工具。拉普拉斯拉斯變換是一種積分變換，它把時域中的常系數(shù)線性微分方程變換為復頻域中的常系數(shù)線性代數(shù)方程。因此，進行計算比較簡單，這正是拉普拉斯拉斯變換（簡稱：拉氏變換）法的優(yōu)點所在。拉普拉斯拉斯變換的定義一個定義在區(qū)間的函數(shù),其拉氏變換定義為Lf(t)=F(s)=式中：s=+j為復數(shù)，有時稱變量S為復頻域。應用拉普拉斯拉斯變換進行電路分析有稱為電路的復頻域分析，有時稱為運算法F(s)又稱為f(t)的象函數(shù)，而f(t)稱為F(s)的原函數(shù)。通常用“L ”表示對方括號內(nèi)的函數(shù)作拉氏變換。拉普拉斯變換的基本性質(zhì)本節(jié)將介紹拉氏變換的一些基本性質(zhì)，利用這些基本性質(zhì)，可以很容易的求得一些較復雜的原函數(shù)的象函數(shù)，同時，這些基本性質(zhì)對于分析線性非時變網(wǎng)絡也是非常必要的。一、 唯一性定義在區(qū)間的時間函數(shù)與其拉氏變換存在一一對應關系。根據(jù)可以唯一的確定其拉氏變換；反之，根據(jù)，可以唯一的確定時間函數(shù)。唯一性是拉氏變換非常重要的性質(zhì)，正是這個性質(zhì)，才是我們有可能將時域中的問題變換為復頻域中的問題進行求解，并使在復頻域中求得的結果有可能再返回到時域中去。唯一性的證明從略。二、 線性性質(zhì)若和是兩個任意的時間函數(shù)，其拉氏變換分別為和，和是兩個任意常數(shù)，則有證 根據(jù)拉氏變換的定義可得例 求的拉氏變換。解 三、 時域?qū)?shù)性質(zhì)（微分性質(zhì)）例 應用時域?qū)?shù)性質(zhì)求的象函數(shù)。四、 時域積分性質(zhì)（積分規(guī)則）例： 求單位斜坡函數(shù)及的象函數(shù)。五、 時域平移性質(zhì)（延遲性質(zhì)）思考與訓練補充練習題課后小結本章作為數(shù)學基礎，學生學習有難度，要求做到認真仔細。章節(jié) 2.1控制系統(tǒng)時域數(shù)學模型學時4授課類型講授教學目的要求掌握時域數(shù)學模型、熟悉數(shù)學模型的建立方法教學重點難點重點：數(shù)學模型的建立方法難點：物理過程的數(shù)學模型建立方法教學方法手段 本章涉及的數(shù)學知識較多，主要有復變函數(shù)、拉氏變換和線性代數(shù)。要求學生從應用出發(fā)進行適當復習，學用結合，急用先學，學習過程中應注意基本概念、基本原理和基本方法以及工程的觀念，重在應用。同時介紹應用MATLA軟件求解不同參數(shù)和輸入情況下的響應，即可視化解，幫助學生學會運用計算機進行輔助分析和設計。教學分組無參考資料自動控制原理李友善，國防工業(yè)出版社教學內(nèi)容及過程旁批教學內(nèi)容與教學設計1、 數(shù)學模型的基本概念；2、 線性元件的微分方程的建立過程；（1） 根據(jù)物理定律列寫基本元件的物理方程；（2） 消去中間變量；（3） 整理系統(tǒng)的微分方程。3、 控制系統(tǒng)微分方程得建立過程；（1） 化整為零，分解成典型環(huán)節(jié)；（2） 列寫典型環(huán)節(jié)的微分方程；（3） 積零為整，消除中間變量；（4） 整理系統(tǒng)的微分方程。4、 線性系統(tǒng)的特性：（1） 疊加性；（2） 齊次性。5、 線性定常微分方程的求解；（1） 待定系數(shù)法；（2） 算子法；（3） Laplace變換法。6、 非線性系統(tǒng)微分方程線性化。（1） 確定靜態(tài)工作點；（2） 在工作點附近按小信號展開成Taylor級數(shù)；忽略高次項，取線性多項式。思考與訓練習題2-1，2-2，2-3，2-4課后小結內(nèi)容多，加強練習章節(jié) 2.2控制系統(tǒng)的復數(shù)域數(shù)學模型學時4授課類型講授教學目的要求掌握傳遞函數(shù)的定義和性質(zhì)、熟悉傳遞函數(shù)的求取過程教學重點難點重點：傳遞函數(shù)的定義和性質(zhì)難點：傳遞函數(shù)的求取教學方法手段 本章涉及的數(shù)學知識較多，主要有復變函數(shù)、拉氏變換和線性代數(shù)。要求學生從應用出發(fā)進行適當復習，學用結合，急用先學，學習過程中應注意基本概念、基本原理和基本方法以及工程的觀念，重在應用。同時介紹應用MATLA軟件求解不同參數(shù)和輸入情況下的響應，即可視化解，幫助學生學會運用計算機進行輔助分析和設計。教學分組無參考資料自動控制原理李友善，國防工業(yè)出版社教學內(nèi)容及過程旁批教學內(nèi)容與教學設計1、 復頻域的概念；復變函數(shù)；2、 傳遞函數(shù)定義；在零初始條件下，系統(tǒng)輸出量的Laplace變換域輸入量的Laplace變換之比。定義為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。3、 傳遞函數(shù)的性質(zhì)；（1） 傳遞函數(shù)是復變量s的實系數(shù)有理真分式；（2） 傳遞函數(shù)表示輸出量與輸入量之間傳遞關系的數(shù)學表達式；（3） 傳遞函數(shù)與微分方程具有相通性；（4） 傳遞函數(shù)的反Laplace變換是系統(tǒng)的脈沖響應。4、 傳遞函數(shù)零極點；（1） 使傳遞函數(shù)為零的點為傳遞函數(shù)的零點；（2） 使傳遞函數(shù)分母為零的點為傳遞函數(shù)的極點。5、 傳遞函數(shù)零極點對輸出響應的影響。（1） 傳遞函數(shù)的極點決定系統(tǒng)的響應形式，即振型；（2） 吃大戶撒零點決定各響應分量的比重。6、 典型部件的傳遞函數(shù)；（1）電位器（比例環(huán)節(jié)）；（2）測速發(fā)電機（微分環(huán)節(jié)）；（3）伺服電動機（慣性環(huán)節(jié)）（4）RLC電路（二階振蕩環(huán)節(jié)）；（5）單容水槽（延遲環(huán)節(jié)）。思考與訓練習題2-5，2-11，2-13，2.15課后小結內(nèi)容多，加強練習章節(jié) 2.3控制系統(tǒng)的結構圖與信號流圖學時2授課類型講授教學目的要求掌握系統(tǒng)結構圖的基本組成、等效變換教學重點難點重點：控制系統(tǒng)結構圖及其等效變換難點：結構圖等效變換教學方法手段 多媒體教學與板書相結合教學分組無參考資料自動控制原理李友善，國防工業(yè)出版社教學內(nèi)容及過程旁批教學內(nèi)容與教學設計1、系統(tǒng)結構圖的組成；信號線；引出點（測量點）；比較點（綜合點）；方框（環(huán)節(jié)）。2、繪制系統(tǒng)結構圖舉例；電壓測量反饋控制系統(tǒng)；直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)。3、結構圖等效變換；串聯(lián)方框圖化簡（等效）；并聯(lián)方框圖化簡（等效）；反饋控制系統(tǒng)（反并聯(lián)）化簡（等效）；比較點移動；分支點前移；分支點后移。4、系統(tǒng)化簡；綜合點可以交換；分支點與綜合點不能交換；先內(nèi)環(huán)，后外環(huán)。5、舉例。6、信號流圖的基本概念；節(jié)點表示系統(tǒng)變量；支路表示增益；信號線方向表示信號傳遞方向；節(jié)點可以任意設置；信號流圖具有非惟一性。7、信號流圖的基本成分；源節(jié)點（輸入節(jié)點）；阱節(jié)點（輸出節(jié)點）；混合節(jié)點；前向通道（前向通路）；回路；不接觸回路。8、信號流圖的組成；（1）節(jié)點；（2）通道；（3）回路；9、信號流圖的繪制；（1）信號線對應節(jié)點；（2）方框?qū)鲆?；?）Mason公式；10、利用Mason公式化簡系統(tǒng)。思考與訓練習題2-16，2-17，2-18，2-21課后小結練習要多，熟能生巧。章節(jié) 實驗一MATLAB仿真軟件概述學時2授課類型實驗教學目的要求掌握MATLAB仿真軟件的基本應用教學重點難點 MATLAB仿真軟件教學方法手段 多媒體教學與上機練習相結合教學分組無參考資料反饋控制系統(tǒng)設計與分析MATLAB語言應用，薛定宇，清華大學出版社教學內(nèi)容及過程旁批教學內(nèi)容與教學設計 1拉氏變換和反變換例 求 的拉氏變換解 鍵入 syms s t;ft=t2+2*t+2;st=laplace(ft,t,s)運行結果為 st=2/s3+2/s2+2/s 例 求的拉氏反變換解 鍵入 syms s t;Fs=(s+6)/(s2+4*s+3)/(s+2);ft=ilaplace(Fs,s,t) 運行結果為 ft=3/2*exp(-3*t)+5/2*exp(-t)-4*exp(-2*t) 2。求根運算例 求多項式 的根，再由根建多項式。解 鍵入 p=1 3 0 4; r=root(p)運行結果為 r= -3.35530.1777+1.0773i1.7777-1.0773i 鍵入 p=poly(r)運行結果為 p=1.0000 3.0000 0.0000 40000例 實現(xiàn)多項式相乘：，并求時的值。解 鍵入 p=3 2 1; q=1 4; n=conv(p,q)運行結果為 n= 3 14 9 4鍵入 vlaue=polyval(n,-5)運行結果為 value= -663微分方程求解例 解下列微分方程： 初始條件 解 鍵入 y=dsolve(3*D2y+3*Dy+2*y=1,y(0)=0,Dy(0)=0) 運行結果為 y=1/2-1/2*exp(-1/2*t)*cos(1/6*15(1/2)*t)-1/10*15(1/2)*exp(-1/2*t)*sin(1/6*15(1/2)*t)思考與訓練把matlab用熟練課后小結練習要多，熟能生巧。章節(jié) 實驗二用MATLAB處理系統(tǒng)的數(shù)學模型學時4授課類型實驗教學目的要求掌握MATLAB建模方法教學重點難點 MATLAB建模方法教學方法手段 多媒體教學與上機練習相結合教學分組無參考資料反饋控制系統(tǒng)設計與分析MATLAB語言應用，薛定宇，清華大學出版社教學內(nèi)容及過程旁批教學內(nèi)容與教學設計1傳遞函數(shù) 例 求如圖所示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。-r(t)c(t) 解 鍵入numg=1;deg=500 0 0; numh=1 1;denh=1 2; num,den=feedback(numg,deng,numh,denh,-1); printsys(num,den)運行結果為 num/den= s +2-500s3 + 1000 s2 + s+1其中， 由函數(shù) printsys(num,den) 打印出傳遞函數(shù)。2、SIMULINK的窗口和菜單在MATLAB的提示符下鍵入“simulink”，按回車鍵后即可啟動SIMULINK工具包。這時出現(xiàn)SIMULINK的主要圖庫（Library）窗口。按方塊圖庫包含模塊功能的不同將其分為七種大類。其中，ources(輸入源)庫主要包括與系統(tǒng)輸入有關的功能模塊；Sinks(輸出方式)庫包括與系統(tǒng)輸出、顯示有關的功能模塊；Discrete庫、Linear庫、Nolinear庫分別包含了與離散系統(tǒng)、線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)等有關的功能模塊；Connections包含與系統(tǒng)元件、參數(shù)之間連接關系的功能模塊。通過雙擊某一類庫的圖標，可以瀏覽和選擇其中具體的模塊。在SIMULINK啟動時，還同時打開了一個SINMULINK模型窗口。在該窗口中可以新建一個模型或打開一個已存在的模型，在建模后，可以對其進行編輯、保存、仿真和分析等操作。用SINMULINK創(chuàng)建模型1) 在SINMULINK窗口中利用File菜單的New選項，創(chuàng)建一個新的模型窗口。2) 將所需的模塊方框圖拖入模型窗口。3) 調(diào)整模塊輸入端口的個數(shù)。4) 按信息流動的順序?qū)⒛K連接起來。5) 最后可建立系統(tǒng)方塊圖，并可保存為example.mdl文件。例 在SIMULINK下建立系統(tǒng)仿真結構圖如下圖所示。 思考與訓練把matlab用熟練課后小結練習要多，熟能生巧。章節(jié) 第三章 時域分析學時2授課類型講授教學目的要求掌握時域性能指標、熟悉系統(tǒng)運動過程教學重點難點時域性能指標教學方法手段 多媒體教學與板書相結合教學分組無參考資料自動控制原理，蔡尚峰，機械工業(yè)出版社教學內(nèi)容及過程旁批教學內(nèi)容與教學設計1、 典型輸入信號；（1） 單位階躍函數(shù)；（2） 單位斜坡函數(shù)；（3） 單位加速度函數(shù)；（4） 單位脈沖函數(shù)；（5） 正弦函數(shù)。2、 動態(tài)過程；動態(tài)過程又稱過渡過程或瞬態(tài)過程，系統(tǒng)在典型信號作用下，輸出量從初始狀態(tài)到最終狀態(tài)的響應過程。3、 穩(wěn)態(tài)過程；系統(tǒng)在典型信號作用下，時間t趨于無限大時，系統(tǒng)輸出量的表現(xiàn)形式。4、 動態(tài)性能；延遲時間td：響應第一次達到終值50所需時間。上升時間tr：從終值10上升到終值90所需時間；對于有振蕩系統(tǒng)，定義為從零第一次上升到終值所需時間。峰值時間tp：響應超過終值到達第一個峰值所需時間。調(diào)節(jié)時間ts：達到并保持在終值5之內(nèi)所需要的最短時間。超調(diào)量(Overshoot)s%：最大偏離量與終值之差與終值的百分比。5、 穩(wěn)態(tài)性能；穩(wěn)態(tài)誤差是描述穩(wěn)態(tài)性能的指標。6、 一階系統(tǒng)時域分析。思考與訓練3-1，3-3，3-4課后小結練習要多，熟能生巧。章節(jié) 3.3 二階系統(tǒng)時域分析，3.4 高階系統(tǒng)分析學時2授課類型講授教學目的要求掌握二階系統(tǒng)時域分析，二階系統(tǒng)時域性能指標，了解高階系統(tǒng)分析方法教學重點難點二階系統(tǒng)時域性能指標，改善系統(tǒng)性能措施教學方法手段 多媒體教學與板書相結合教學分組無參考資料自動控制原理，蔡尚峰，機械工業(yè)出版社教學內(nèi)容及過程旁批教學內(nèi)容與教學設計1、二階系統(tǒng)數(shù)學模型；2、二階系統(tǒng)單位階躍響應；（1）欠阻尼二階系統(tǒng)動態(tài)過程分析（0z1）；（3）零阻尼二階系統(tǒng)動態(tài)過程分析（z=0）；（4）欠阻尼二階系統(tǒng)的單位斜坡響應；（5）臨界阻尼二階系統(tǒng)的單位斜坡響應；（6）過阻尼二階系統(tǒng)的單位斜坡響應。3、二階系統(tǒng)性能改善；（1）比例-微分（Proportional-Diferential）控制；（2）測速反饋控制；4、非零初始條件下二階系統(tǒng)的響應。5、高階系統(tǒng)單位階躍響應（1）三階系統(tǒng)單位階躍響應；（2）閉環(huán)主導極點； （3）高階系統(tǒng)動態(tài)性能估算。思考與訓練3-4，3-6，3-7，3-10課后小結加強公式的理解與應用。章節(jié) 線性系統(tǒng)穩(wěn)定性分析學時2授課類型講授教學目的要求了解穩(wěn)定性基本概念，掌握線性系統(tǒng)穩(wěn)定性充分必要條件、Routh判據(jù)教學重點難點穩(wěn)定性判據(jù)教學方法手段 多媒體教學與板書相結合教學分組無參考資料自動控制原理，蔡尚峰，機械工業(yè)出版社教學內(nèi)容及過程旁批教學內(nèi)容與教學設計1、 穩(wěn)定性基本概念；所謂穩(wěn)定性，是指系統(tǒng)在擾動消失后，由初始偏差狀態(tài)恢復到原平衡狀態(tài)的性能。2、 線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的充分必要條件；線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要：閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根均具有負實部；或者說，閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點必須嚴格位于左半s平面。3、 Routh-Hurwitz穩(wěn)定判據(jù)；（1） Hurwitz穩(wěn)定判據(jù)；在特征方程所有系數(shù)均為正的條件下，Hurwitz行列式所有奇次順序主子式為正，偶次順序主子式亦為正，則系統(tǒng)穩(wěn)定；反之亦然。（2） Routh穩(wěn)定性判據(jù)；Routh表中第一列各值均大于零，則系統(tǒng)穩(wěn)定；Routh表中第一列出現(xiàn)小于零的數(shù)值，則系統(tǒng)穩(wěn)定；第一列各系數(shù)改變符號的次數(shù)，即為特征方程正實部特征根的數(shù)目。4、 Routh穩(wěn)定判據(jù)的特殊判據(jù)；（1） Routh表第一列某項為零，其余各項不全為零；用(s+a)乘以特征方程，再次對新特征方程應用Routh穩(wěn)定性判據(jù)；用無窮小數(shù)e代替零元素，繼續(xù)計算Routh穩(wěn)定性判據(jù)；（2） Routh表出現(xiàn)全零行；5、 Routh穩(wěn)定判據(jù)的應用思考與訓練3-12，3-13，3-14課后小結勞斯盤踞為重中之重，要求必須學會。章節(jié) 線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差學時2授課類型講授教學目的要求掌握穩(wěn)態(tài)誤差計算、熟悉穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)、了解誤差產(chǎn)生原因教學重點難點穩(wěn)態(tài)誤差計算教學方法手段 多媒體教學與板書相結合教學分組無參考資料自動控制原理，蔡尚峰，機械工業(yè)出版社教學內(nèi)容及過程旁批教學內(nèi)容與教學設計1、 誤差；誤差定義：（1）系統(tǒng)作用（輸入）誤差e(t)=r(t)-c(t)；（2）系統(tǒng)輸出誤差e(t)=y(t)-y(t)。2、 穩(wěn)態(tài)誤差；穩(wěn)定系統(tǒng)當時間t趨于無窮大時的系統(tǒng)誤差，記為ess(t)。3、 系統(tǒng)類型；系統(tǒng)含有積分環(huán)節(jié)的個數(shù)，稱為系統(tǒng)的型別。常用有0、型。4、 階躍作用下的穩(wěn)態(tài)誤差ess=R/(1+kp)；v=0；ess=05、 靜態(tài)位置誤差系數(shù)；6、 斜坡作用下的穩(wěn)態(tài)誤差；ess=，v=0；ess= R/kv，v=1；ess=0，v07、 靜態(tài)速度誤差系數(shù)；8、 加速度作用下的穩(wěn)態(tài)誤差；9、 靜態(tài)加速度誤差系數(shù)；10、 動態(tài)誤差系數(shù)；11、 擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差；12、 減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差措施（1）增大系統(tǒng)開環(huán)增益；（2）串聯(lián)積分環(huán)節(jié)；（3）采用串級控制；（4）采用復合控制。思考與訓練3-15，3-18課后小結穩(wěn)態(tài)誤差的計算較難掌握，多練習。章節(jié) 實驗三MATLAB用于時域分析學時4授課類型實驗教學目的要求掌握用MATLAB進行系統(tǒng)的時間響應分析方法。教學重點難點時間響應分析方法教學方法手段 多媒體教學與上機相結合教學分組無參考資料反饋控制系統(tǒng)設計與分析MATLAB語言應用，薛定宇，清華大學出版社教學內(nèi)容及過程旁批教學內(nèi)容與教學設計系統(tǒng)輸出響應及性能分析：1、 二階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的標準形式為 若確定，系統(tǒng)的瞬態(tài)響應和的取值有關。下面用MATLAB分析在不同的值時，系統(tǒng)的單位階躍響應。所用的MATLAB程序如下：%=1t=0:0.1:12;num=1;zeta1=0;den1=1 2*zeta1 1;zeta3=0.3;den3=1 2*zeta3 1;zeta5=0.5;den5=1 2*zeta5 1;zeta7=0.7;den7=1 2*zeta7 1;zeta9=1.0;den9=1 2*zeta9 1;y1,x,t=step(num,den1,t);y3,x,t=step(num,den3,t);y5,x,t=step(num,den5,t);y7,x,t=step(num,den7,t);y9,x,t=step(num,den9,t);plot(t,y1,t,y3,t,y5,t,y7,t,y9,)grid on;運行結果見圖。2、 已知，分別計算KA200時，系統(tǒng)的性能指標tp，ts，。解 MATLAB程序如下：t=0:0.01:2;num=1000;den=1 34.5 1000;y,x,t=step(num,den,t);plot(t,y);求超調(diào)量maxy=max(y);yss=y(length(t);pos=100*(maxy-yss)/yss;求峰值時間for i=1:1:201if y(i)=maxy,n=i;endend tp=(n-1)*0.01;求調(diào)節(jié)時間for i=1:1:201if (y(i)0.95),m=i;endbreak;endts=(m-1)*0.01;計算結果為tp=0.12s，ts=0.17s，12.93% 思考與訓練1. 設典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為， 改變系統(tǒng)的參數(shù)，觀察并記錄輸出響應曲線，并分析的變化對系統(tǒng)性能的影響和性能指標的變化。 2. 設系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 ，改變系統(tǒng)的參數(shù)，觀察并記錄輸出響應曲線，并求系統(tǒng)的時域性能指標，分析參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能的影響和性能指標的變化。課后小結Matlab可能還有部分學生不熟悉，要繼續(xù)加強練習。章節(jié) 頻率特性學時2授課類型講授教學目的要求了解頻率特性概念，掌握頻率特性表示，頻率特性的繪制教學重點難點頻率特性的繪制教學方法手段 多媒體教學與板書相結合教學分組無參考資料自動控制原理，蔡尚峰，機械工業(yè)出版社教學內(nèi)容及過程旁批教學內(nèi)容與教學設計5.1引言（10分鐘）5.2頻率特性1、 頻率特性的基本概念（20分鐘）（1） 頻率特性的概念頻率特性反映正弦信號作用下系統(tǒng)響應的性能。應用頻率特性研究系統(tǒng)的方法稱為頻域分析法。（2） 頻率特性定義在零初始條件下，輸出響應的Fourier變換與輸入信號的Fourier變換之比，稱為頻率特性?；蛟诹愠跏紬l件下，輸出響應的復數(shù)相量與輸入信號復數(shù)相量之比，稱為頻率特性。在諧波輸入下，輸出響應與輸入信號同頻率諧波分量的幅值之比A(w)稱為幅頻特性，相位差j(w)稱為相頻特性。2、 頻率特性的幾何表示（20分鐘）（1） 幅相頻率特性曲線（2） 對數(shù)頻率特性曲線（3） 對數(shù)幅相曲線3、 典型環(huán)節(jié)的頻率特性（50分鐘）（1）比例環(huán)節(jié)；（2）微分環(huán)節(jié)；（3）積分環(huán)節(jié)；（4）慣性環(huán)節(jié)；（5）一階微分環(huán)節(jié)；（6）二階振蕩環(huán)節(jié)；（7）二階微分環(huán)節(jié)；（8）延遲環(huán)節(jié)。思考與訓練5-1，5-3，5-5課后小結頻率特性為較難學的部分，多鼓勵學生不要放棄。章節(jié) 頻率域穩(wěn)定性判據(jù)學時2授課類型講授教學目的要求了解幅角原理，熟悉Nyquist曲線，掌握Nyquist判據(jù)教學重點難點Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)教學方法手段 多媒體教學與板書相結合教學分組無參考資料自動控制原理，蔡尚峰，機械工業(yè)出版社教學內(nèi)容及過程旁批教學內(nèi)容與教學設計1、數(shù)學基礎（1） 幅角原理設s平面閉合曲線G包圍F(s)的Z個零點和P個極點，則s沿曲線運動一周時，在F(s)平面上，F(xiàn)(s)閉合曲線GF包圍原點的圈數(shù)R=P-ZR0分別表示GF順時針包圍和逆時針包圍F(s)平面的原點圈數(shù)，R=0表示不包圍F(s)平面的原點。（2） 復變函數(shù)F(s)的選擇（3） s平面閉合曲線G 即Nyquist圍線；選擇閉合曲線G 包圍整個右半s平面，即包圍所有不穩(wěn)定閉環(huán)極點。（4） G(s)H(s)閉環(huán)曲線的繪制（5） 閉合曲線包圍原點圈數(shù)R的計算R=2N=2(N+-N-)2、Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是半閉合曲線GGH不穿過(-1,j0)點，且逆時針包圍(-1,j0)點的圈數(shù)R等于開環(huán)傳遞函數(shù)的正實部極點數(shù)P。3、對數(shù)頻率穩(wěn)定性判據(jù)反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是j(wc)(2k+1)p；k=0,1,2,和L(w)0時，穿越(2k+1)p的次數(shù)滿足Z=P-2N4、條件穩(wěn)定系統(tǒng)思考與訓練5-14，5-19課后小結頻率特性為較難學的部分，多鼓勵學生不要放棄。章節(jié) 穩(wěn)定裕度，閉環(huán)系統(tǒng)頻域指標學時2授課類型講授教學目的要求掌握相角裕度、幅值裕度，熟悉閉環(huán)頻域指標教學重點難點相角裕度、幅值裕度教學方法手段 多媒體教學與板書相結合教學分組無參考資料自動控制原理，蔡尚峰，機械工業(yè)出版社教學內(nèi)容及過程旁批教學內(nèi)容與教學設計1、相角裕度g(wc) （30分鐘）相角裕度g(wc)的含義是，對于閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)，如果相頻特性再滯后g(wc)，則系統(tǒng)將處于不穩(wěn)定狀態(tài)。2、幅值裕度h(wx) （20分鐘）幅值裕度h(wx)的含義是，對于閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)，如果幅值再增大h(wx)倍，則系統(tǒng)將處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。3、閉環(huán)系統(tǒng)頻域指標（50分鐘）（1） 控制系統(tǒng)的頻帶寬度；（2） 系統(tǒng)的帶寬選擇；（3） 確定閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性的圖解法；（4） 開環(huán)系統(tǒng)頻域指標和時域指標的轉(zhuǎn)換；（5） 閉環(huán)系統(tǒng)頻域指標和時域指標的轉(zhuǎn)換；思考與訓練5-16，5-18課后小結頻率特性為較難學的部分，多鼓勵學生不要放棄。章節(jié) 實驗四MATLAB用于頻域分析學時4授課類型實驗教學目的要求掌握用MATLAB進行系統(tǒng)頻率特性分析的方法教學重點難點頻域分析方法教學方法手段 多媒體教學與上機相結合教學分組無參考資料反饋控制系統(tǒng)設計與分析MATLAB語言應用，薛定宇，清華大學出版社教學內(nèi)容及過程旁批教學內(nèi)容與教學設計1、 振蕩環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的標準形式為當確定時，系統(tǒng)的頻率特性與的取值有關。用MATLAB繪出時，在不同取值下，系統(tǒng)的Bode圖和Nyquist圖。解 1）作Bode圖程序：num=1;zeta1=0.1;den1=1 2*zeta1 1; zeta3=0.3;den3=1 2*zeta3 1;zeta5=0.5;den5=1 2*zeta5 1;zeta7=0.7;den7=1 2*zeta7 1;zeta9=1.0;den9=1 2*zeta9 1;mag1,phase1,w1=bode(num,den1);mag3,phase3,w3=bode(num,den3);mag5,phase5,w5=bode(num,den5);mag7,phase7,w7=bode(num,den7);mag9,phase9,w9=bode(num,den9);subplot(211);semilogx(w1,20*log10(mag1),w3,20*log10(mag3),w5,20*log10(mag5),w7,20*log10(mag7), w9,20*log10(mag9);subplot(212);semilogx(w1,phase1,w3,phase3,w5,phase5,w7,phase7,w9,phase9);運行結果見圖。2）作Nyquist圖程序：num=1;zeta1=0.4;den1=1 2*zeta1 1;zeta6=0.6;den6=1 2*zeta6 1;zeta8=0.8;den8=1 2*zeta8 1; re1,im1=nyquist(num,den1); re2,im2=nyquist(num,den6);re3,im3=nyquist(num,den8);plot(re1,im1,re2,im2,re3,im3);運行結果見圖。 2、 已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，求開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線。解 MATLAB程序如下：z=-10;p=0,-1/2;k=1/2;h=zpk(z,p,k);bode(h);grid運行結果見圖。3、 開環(huán)傳遞函數(shù)為作出開環(huán)伯德圖，并求系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量。 解 命令窗口輸入h1=tf(2.33,0.162 1);h2=tf(1,0.0368 1);h3=tf(1,0.00167 1);h=h1*h2*h3;num,den=tfdata(h);mag,phase,w=bode(num,den);subplot(211);semilogx(w,20*log10(mag);grid;subplot(212);semilogx(w,phase);grid;gm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w)運行結果見圖。 同時，在MATLAB命令窗口中可以得到系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量：gm = 53.9692pm = 93.6601wcg = 141.9068wcp = 11.6305若要生成帶有裕量標記的伯德圖，則可將程序中最后一條改為margin(mag,phase,w);此時，所得圖形見圖。思考與訓練繪制下列系統(tǒng)的伯德圖和乃奎斯特圖，并求系統(tǒng)的頻域指標相位裕量和幅值裕量，根據(jù)乃奎斯特圖分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，根據(jù)仿真結果分析系統(tǒng)的結構和參數(shù)與系統(tǒng)性能的關系。 (1) (2) (3) (4) 課后小結Matlab可能還有部分學生不熟悉，要繼續(xù)加強練習。章節(jié) 線性控制系統(tǒng)的設計與校正學時2授課類型講授教學目的要求了解校正的一般概念，熟悉設計的一般問題，掌握設計的一般方法教學重點難點設計與校正的一般方法教學方法手段 多媒體教學與板書相結合教學分組無參考資料自動控制原理，蔡尚峰，機械工業(yè)出版社教學內(nèi)容及過程旁批教學內(nèi)容與教學設計1、校正的一般概念：所謂校正就是再系統(tǒng)中加入一些參數(shù)可以改變的機構或裝置，使整個系統(tǒng)特性發(fā)生變化，從而滿足給定的性能指標。設計控制系統(tǒng)的目的：是將構成控制器的各部件與被控對象適當組合起來，使之滿足表征控制精度、阻尼比和響應速度的性能指標要求。2、性能指標；（1）二階系統(tǒng)頻域指標與時域指標的關系；諧振峰值；諧振頻