电科-电信-西电版自动控制原理教案

第１页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2007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2001年4月高等教育出版社2003年8月第1版高等教育出版社2004年8月第1版科学出版社2007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“√”。第２页《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2001年4月2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社2003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2004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2007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。第３页《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2001年4月2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社2003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2004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2007年6月第一版第４页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。第５页《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0ξ1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2001年4月2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社2003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第６页等教育出版社2004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2007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(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》授课教案第７页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2001年4月2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社2003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2004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2007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》授课教案第８页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2001年4月2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社2003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2004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2007年6月第一版第９页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