自动控制原理(经典部分)课程教案文档格式.docx
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（1）自动控制：
在无人直接参加的情况下，利用控制装置使被控对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程。
（2）被控对象：
要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。
（3）被控量：
表现于控制对象或系统输出端，要求实现自动控制的物理量。
（4）给定值：
作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。
（5）扰动：
所有影响控制量对被控量按要求进行正常控制的因素
（6）自动控制系统：
是由控制装置和被控对象所组成
3、组成和方框图
以水箱控制系统为例，绘制系统方框图。
4、反馈控制系统基本原理：
用偏差纠正偏差。
（三）基本控制方式 （约
30min）
1、开环控制：
只有前向通道而无反馈通道，输出信号不影响控制作用。
1
特点是输出不影响输入、控制精度不高。
以电机转速控制系统为例讲解按扰动控制和按给定控制两种开环控制方式。
2、闭环控制：
既有前向通道又有反馈通道，输出信号影响控制作用。
特点是输出影响输入、控制精度高，因为可能发生超调和振荡，所以稳定性很重要。
以电机转速控制系统为例讲解闭环控制方式。
3、复合控制：
开环控制和闭环控制的结合。
（四）自动控制系统示例 （约
50min）
1、函数记录仪（例题）
2、电阻炉温度控制系统（练习）
3、锅炉液位控制系统（例题）
（五）自动控制系统的分类 （约
35min）
1、按给定量变化规律分类：
（1）定值控制系统：
输出量以一定的精度等于给定值，而给定值一般不变化。
（2）程序控制系统：
自动控制系统的被控制量是根据预先编好的程序进行控制的系统。
（3）随动控制系统：
输出量能以一定精度跟随给定值变化的系统
2、按主要元件特性分类：
（1）线性控制系统；
（2）非线性控制系统。
3、按系统参数是否随时间变化
（1）定常系统：
控制系统的参数在工作过程中不随时间而变化。
（2）时变系统：
控制系统的参数在工作过程中随时间而变化。
4、按信号是否连续
（1）连续系统：
如果系统中传递的信号都是时间的连续函数，则称为连续系统。
（2）离散系统：
系统中只要有一个传递的信号是时间上断续的信号，则称为离散系统。
举例分析系统的分类。
（六）对自动控制系统的基本要求 （约
1、基本要求：
（1）稳定性：
是保证控制系统正常工作的先决条件。
（2）准确性：
说明系统的稳态（静态）品质。
（3）快速性：
系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程的形式和快慢。
2、典型外作用：
阶跃函数、脉冲函数、斜坡函数、正弦函数。
三、小结：
（约
1、基本控制方式和组成原理
2、自动控制系统的分类
3、对自动控制系统的基本要求
4、示例
。
3
四、作业：
2min）
P16习题1-1，1-5
49
2学时
第二章 控制系统的数学模型
第二章第一节 控制系统的时域数学模型
教学目的
和要求
1、掌握控制系统微分分程的建立和求解方法。
2、了解非线性微分分程线性化思想。
控制系统微分分程的建立；
线性定常微分方程求解。
非线性微分分程线性化。
1、教学方法：
用分析举例的方法突出重点、突破难点
2、教学手段：
从“建模重要性”引入新课。
（一）建立微分方程的一般步骤 （约
1、确定输入和输出量
2、依据定律列写原始方程
3、消去中间变量，写出微分方程
4、将微分方程标准化。
（二）线性元件的微分方程 （约
30min）例题讲解：
（1）RLC网络
（2）电枢控制直流电动机
（3）弹簧－质量－阻尼器系统。
（三）控制系统微分方程建立 （约
15min）
1、由系统原理图画出系统方框图或直接确定系统中各个基本部件；
2、列写各方框图的输入输出之间的微分方程，要注意前后连接的两个元件中，后级元件对前级元件的负载效应；
3、消去中间变量
以速度控制系统为例讲解。
（四）线性系统特性 （约
10min）叠加原理：
（1）可叠加性
（2）齐次性
（五）线性定常微分方程的求解 （约
1、直接求解法（举例）
2、拉氏变换法（举例）
（六）非线性微分方程的线性化 （约
15
介绍小偏差法，讲解例题。
1、微分方程的建立
2、线性定常微分方程的求解
作业：
P70习题2-4（a） （约
第二章第二节 控制系统的复数域数学模型
1、掌握传递函数的定义和求取。
2、了解传递函数的极点和零点对输出的影响。
传递函数的定义和求取。
传递函数的极点和零点对输出的影响。
用精讲多练的方法突出重点，用分析举例的方法突破难点。
从“分析求解微分方程给系统分析和设计带来不方便”引入新课。
（一）传递函数的定义 （约
定义：
零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。
（从用拉氏变换求解RC网络的输出引出传递函数的定义）
G（s）=C（s）
R（s）
例题讲解。
（二）传递函数的性质 （约
1、传递函数是以复变量s为自变量的有理真分式。
2、传递函数只与系统本身结构参数有关，与外作用的形式无关。
3、传递函数与微分方程有相通性。
4、传递函数是系统单位脉冲响应的拉氏变换。
（三）传递函数的局限性
1、只适用于线性定常系统。
2、只描述系统的外部特性。
3、不能反映非零初始条件下的全部响应。
（四）传递函数的零点和极点 （约
10min）
1、零、极点表达式
m
b（s-z）（s-z）K（s-z） å
（s-zi）
G（s）= 0 1 2 m =K*i=1
a（s-p）（s-p）K（s-p） å
n（s-p）
0 1 2 n
j
j=1
zi零点，pj极点。
2、时间常数表达式
b（ts+1）（t2s2+2zts+1）K（ts+1）
G（s）=m 1 2 2 i
a（Ts+1）（T2s2+2zTs+1）K（Ts+1）
n 1 2 2 j
（五）传递函数的极点和零点对输出的影响 （约
20min）
传递函数的极点就是微分方程的特征根，极点形成系统的模态，零点不形成系统的模态，但影响各模态所占的比重。
举例分析。
（六）典型环节及其传递函数 （约
26min）
1、比例环节：
G（s）=K
例如电位器，测速发电机（以转速为输入），减速器等。
2、微分环节：
G（s）=Tds
例如测速发电机（以角位移为输入）。
3、积分环节：
G（s）=
Tis
例如具有积分功能的运算放大器。
K
4、惯性环节：
Ts+1
例如RC网络，单容水槽，电枢控制直流电动机等。
Kw2
5、振荡环节：
G（s）=n
s2+2xws+w2
n n
例如RLC无源网络，双容水槽。
6、延迟环节：
G（s）=e-ts
三、小结：
1、传递函数的定义、性质和求取
2、典型环节及其传递函数
四、作业：
1min）
P70习题2-9，2-10
第二章第三节 控制系统的结构图与信号流图
（1）
1、会绘制结构图。
2、会由结构图等效变换求传递函数。
结构图的绘制；
由结构图等效变换求传递函数。
复杂结构图的等效变换。
从“用数学图形描述系统的优点”引入新课。
（一）结构图的组成 （约7min）
1、信号线：
表示信号的传递方向。
2、方框：
表示输入和输出的运算关系，即C（S）=R（S）*G（S）。
3、比较点：
表示两个以上信号进行代数运算。
4、引出点：
一个信号引出两个或以上分支。
（二）结构图的绘制 （约40min）
绘制：
列写微分方程组，并列写拉氏变换后的子方程；
绘制各子方程的结构图，然后根据变量关系将各子结构图依次连接起来，得到系统的结构图。
例题讲解。
（二）结构图的简化 （约46min）
任何复杂的系统结构图，各方框之间的基本连接方式只有串联、并联和反馈连接三种。
方框结构图的简化是通过移动引出点、比较点、交换比较点，进行方框运算后，将串联、并联和反馈连接的方框合并，求出系统传递函数。
1、串联的简化：
G（s）=G1（s）G2（s）
2、并联的简化：
G（s）=G1（s）±
G2（s）
3、反馈连接方框的简化：
F（s）= G1（s）
1mG1（s）H（s）
4、比较点的移动：
移动前后保持信号的等效性。
比较点前移
比较点后移
5、引出点的移动：
引出点前移
引出点后移
1、结构图的绘制
2、结构图的简化
P74习题2-17（c）（d）
第二章第三节 控制系统的结构图与信号流图
（2）
1、掌握信号流图的概念和绘制方法；
2、会用梅森公式求传递函数。
信号流图的绘制；
用梅森公式求传递函数。
梅森公式的应用。
教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等）
从“用结构图简化复杂系统的不方便”引入新课。
（一）信号流图的组成及性质 （约
1、组成：
由节点和支路组成。
节点代表变量，支路表示两个变量之间的传输关系，相当于乘法器。
2、性质：
（1）节点代表变量；
（2）支路相当于乘法器；
（3）信号在支路上只能沿箭头方向单向传递；
（4）对于给定系统，信号流图不唯一。
3、术语
（1）源节点：
只有输出支路，无输入支路的节点。
（2）阱节点：
只有输入支路，无输出支路的节点。
（3）混合节点：
既有输入支路，又有输出支路的节点。
（4）前向通路：
信号从输入节点到输出节点传递时，每个节点只通过一次的通路。
（5）回路：
起点和终点在同一个节点，而且信号通过每一节点不多于一次的闭合通路。
（6）不接触回路：
回路之间没有公共节点。
举例讲解。
（二）信号流图的绘制 （约
40min）
1、由微分方程绘制：
（1）列出微分方程；
（2）取拉氏变换并考虑初始条件
（3）将方程式整理成因果关系式
（4）将变量用节点表示，根据方程所确定关系，依次画出各节点的支路。
2、由结构图绘制
用支路代替结构图的方框，传递函数就是支路增益；
用节点代替结构图中的信号线，相加点用一个混合节点代替。
（三）梅森增益公式及其应用 （约
77min）
1、梅森增益公式
输入节点到输出节点的传递函数公式表示为：
n
P=1å
PD
D kk
k=1
Pk 从源节点到阱节点的第k条前向通路总增益；
D=1-å
La+å
LbLc-å
LdLeLf+K，称为特征式；
Dk为D中除去与第k条前向通路相接触的部分。
2、由梅森公式求传递函数例题讲解
（四）闭环系统的传递函数 （约
1、输入信号下的闭环传递函数
F（s）= G1（s）G2（s）
1+G1（s）G2（s）H（s）
2、扰动作用下的闭环传递函数
F（s）= G2（s）
N 1+G（s）G（s）H（s）
1 2
3、闭环系统的误差传递函数
F（s）=1
e 1+G（s）G（s）H（s）
F（s）= -G2（s）H（s）
en 1+G（s）G（s）H（s）
三、本章总结、练习 （约
四、小结：
1、由梅森公式求传递函数
2、闭环系统的传递函数
五、作业：
P74习题2-19（d），2-21（a）
名称
时域表达式
复域表达式
单位阶跃函数
1（t）
s
单位斜坡函数
t
s2
单位加速度函数
1t2
2
s3
单位脉冲函数
d（t）
正弦函数
Asinwt
Aw
s2+w2
第三章 线性系统时域分析法
第三章第一节 系统时间响应的性能指标第三章第二节 一阶系统的时域分析
1、掌握系统时间响应的性能指标；
2、掌握一阶系统的数学模型和典型响应；
3、熟练计算一阶系统性能指标。
一阶系统的数学模型和典型响应；
一阶系统性能指标的计算。
一阶系统的典型响应。
用精讲的方法突出重点，用分析举例的方法突破难点。
一、引入 （约
从“时域分析法的特点”引入新课。
二、教学进程设计
（一）典型输入信号 （约
（二）动态过程与稳态过程 （约
5、动态过程：
系统在典型信号作用下，系统输出量从初始状态到最终状态的响应过程。
6、稳态过程：
系统在典型信号作用下，当时间t趋于无穷时，系统输出
量的表现方式。
（三）动态性能与稳态性能 （约
1、动态性能：
（1）延迟时间td
（2）上升时间tr
（3）峰值时间tp
（4）调节时间ts
h（tp）-h（¥
）
（5）超调量：
s%= ´
%
h（¥
2、稳态性能：
稳态误差
（四）一阶系统的数学模型：
F（s）=C（s）= 1
R（s） Ts+1
（五）一阶系统的典型响应 （约
45min）
1、单位阶跃响应
h（t）=1-e-t/T
td=0.69T
性能指标：
tr=2.20T
ts=3T
2、单位脉冲响应
c（t）=1e-t/T
T
3、单位斜坡响应
c（t）=（t-T）+Te-t/T
4、单位加速度响应
c（t）=1t2-Tt+T2（1-e-t/T）2
1、系统时间响应的性能指标；
2、一阶系统的数学模型和典型响应；
3、一阶系统性能指标的计算
P133习题3-1
第三章第三节 二阶系统的时域分析
第三章第四节 高阶系统的时域分析
1、掌握二阶系统的数学模型和典型响应；
2、熟练计算欠阻尼二阶系统性能指标。
欠阻尼二阶系统性能指标计算
欠阻尼二阶系统分析。
从“分析二阶系统的意义”引入新课。
（一）二阶系统的数学模型：
闭环一般形式：
F（s）=
Ts2+s+K
w2
闭环标准形式：
Φ（s）=n
w= K——自然振荡频率
n T
x= 1 ——阻尼比或阻尼系数
2TK
闭环极点：
s =-xw±
x2-1×
w
1.2 n n
（二）二阶系统的单位阶跃响应 （约
1、x<
0:
负阻尼系统，s1,2在s右半平面，系统响应发散。
2、x=0:
无阻尼系统S1,2=±
jwn，c（t）=1-coswnt，系统响应是等幅振荡
7、0<
x<
1:
欠阻尼系统s =-xw±
j1-x2w，
令w=1-x2w——有阻尼振荡频率
d n
c（t）=1- 1 e-xwntsin（wt+b）
d
1-x2
b=arccosx——阻尼角，系统响应是衰减振荡
8、x=1:
临界阻尼系统，s =-w，c（t）=1-e-wnt（1+wt），系统
响应是无超调单调上升过程。
5、x>
过阻尼系统，s =-xw±
x2-1w，系统响应是无超调单
调上升过程。
（三）欠阻尼二阶系统动态过程分析 （约
1+0.7x
1、延迟时间：
td= w
p-b
2、上升时间：
tr=w
p
3、峰值时间：
tp=w
4、超调量：
s%=e-px/1-x´
100%
3.5
5、调节时间：
ts=xw
例题讲解
（四）过阻尼二阶系统动态过程分析 （约
20min）例题讲解
（五）二阶系统性能的改善 （约
1、比例－微分控制：
超前作用，详细分析
2、测速反馈控制：
增加阻尼，详细分析。
举例分析比例－微分控制和测速反馈控制控制性能。
（六）高阶系统的单位阶跃响应 （约
1、闭环主导极点
距离虚轴最近且其附近无零点的极点，利用主导极点概念可以把高阶系统近似为一阶或二阶系统。
2、高阶系统单位阶跃响应的近似分析例题讲解
17
1、二阶系统的数学模型
2、二阶系统的单位阶跃响应
3、欠阻尼二阶系统动态过程分析
4、二阶系统性能的改善
5、高阶系统的单位阶跃响应
P134习题3-5，3-7
第三章第五节 线性系统的稳定性分析
1、掌握线性系统稳定的充分必要条件；
2、掌握劳思稳定判据及其应用。
线性系统稳定的充分必要条件；
劳思稳定判据及其应用。
劳思稳定判据的特殊情况。
从“研究控制系统稳定性重要性”引入新课。
（一
升级会员 