《自动控制原理》_胡寿松_习题答案

自动控制原理电子教案《自动控制原理》课程教学大纲课程编号：课程名称：自动控制原理英文名称：AutomaticControlTheory课程类型:：专业基础必修课总学时：64讲课学时：56上机学时：8学时：64学分：4适用对象：电气工程及其自动化专业（电力系统及自动化、电力系统继电保护、电网监控技术、供用电技术专业方向）先修课程：高等数学、大学物理、积分变换、电路、数字电子技术、模拟电子技术一、课程性质、目的和任务本课程为电气工程及其自动化专业的主要专业基础课程之一，目的是使学生掌握负反馈控制原理、控制系统数学模型的建立和系统性能分析、设计的基本方法，培养学生分析和设计自动控制系统性能的基本能力并能满足其它后续专业课程对自动控制理论知识的需要。二、教学基本要求本课程采用时域法、根轨迹法和频率特性法对自动控制系统的性能进行分析和设计，学完本课程应达到以下基本要求。1．掌握负反馈控制原理掌握负反馈控制原理，能够分析负反馈控制系统的调节过程并画出相应的控制系统方框图。了解控制系统的基本构成和分类。2．熟悉建立控制系统数学模型的方法熟悉用拉氏变换法求解线性系统微分方程的基本方法。掌握控制系统传递函数、动态结构图建立和简化方法。3．熟悉运用时域分析法分析系统性能的方法掌握典型二阶系统的单位阶跃响应以及性能指标的求取。掌握用劳斯代数稳定判据判断系统的稳定性的方法。掌握求系统的稳态误差及误差系数的方法。4．熟悉用根轨迹分析法分析控制系统性能的方法掌握根据系统开环传递函数的零、极点分布绘制闭环系统根轨迹图的基本方法。根据根轨迹图分析控制系统的性能。了解开环零、极点对系统性能的影响。5．熟悉频率分析法分析控制系统性能的方法熟悉典型环节频率特性的求取以及频率特性曲线，掌握系统开环对数频率特性曲线、极坐标曲线绘制的基本方法。了解根据开环对数频率特性曲线分析闭环系统性能的方法。熟悉用奈奎斯特稳定判据判断系统稳定性的方法。掌握稳定裕度的计算方法。6．熟悉控制系统校正的方法了解串联超前校正、串联滞后校正的校正装置设计的基本原理和方法。7．熟悉非线性控制系统的分析方法了解非线性控制系统的特点和常见非线性特性。熟悉非线性控制系统的描述函数法。三、教学内容及要求（一）自动控制系统的基本概念了解自动控制理论的主要任务以及研究对象，掌握负反馈控制原理并分析控制系统的自动控制过程，熟悉自动控制系统的基本构成并能绘制控制系统方框图，了解自动控制系统的分类方法和基本要求。主要内容1．自动控制与自动控制系统2．负反馈调节原理3．自动控制系统的分类3．对控制系统的性能要求4．自动控制理论发展简史（二）自动控制系统的数学模型熟悉系统微分方程的建立，拉氏变换及其应用。掌握系统传递函数的定义及求取，系统动态结构图的建立及其简化以及系统不同传递函数的定义及求取。1．控制系统微分方程的建立2．非线性数学模型的线性化3．控制系统的传递函数4．典型环节的传递函数5．控制的动态结构图及变换6．信号流图及梅逊公式7．反馈控制系统的传递函数（三）自动控制系统的时域分析法熟悉控制系统的时域指标，一阶系统的单位阶跃响应、斜坡响应以及性能指标的求取。掌握典型二阶系统的单位阶跃响应以及性能指标的求取。掌握劳斯稳定判据分析系统的稳定性方法。熟悉控制系统稳态误差分析以及稳态误差、误差系数的求取。1．控制系统性能指标的定义2．一阶系统性能分析3．二阶系统性能分析4．欠阻尼二阶系统的时域分析和指标计算5．高阶系统的时域分析、闭环主导极点和高阶系统的降阶6．控制系统的稳定性分析7．控制系统的稳态误差分析和改进措施8．同步发电机励磁调节（选讲）（四）根轨迹分析法了解根轨迹的基本概念，熟悉根轨迹的绘制规则，掌握最小相位系统的根轨迹图绘制，了解非最小相位系统根轨迹图的绘制。运用根轨迹法分析系统的暂态特性。1．根轨迹的基本概念（根轨迹、根轨迹方程）2．绘制根轨迹的基本法则01803．绘制根轨迹的基本法则004．广义根轨迹5．非最小相位系统的根轨迹6．用根轨迹法分析系统性能（五）频率法了解频率特性的基本概念，频率特性的几何表示方法，熟悉典型环节的对数频率特性曲线（Bode图）绘制和极坐标曲线（Nyquist曲线），掌握系统开环对数频率特性曲线的绘制，了解系统开环极坐标曲线绘制的一般方法，熟悉开环对数频率特性低频段、中频段、高频段的特征，学会运用奈奎斯特稳定判据判断闭环系统的稳定性，掌握系统稳定裕度的基本概念和计算方法，了解系统性能和开环频率特性的关系。1．频率特性的基本概念和几何表示2．典型环节的频率特性3．控制系统开环对数频率特性和极坐标曲线的绘制4．最小相位系统传递函数的确定5．奈奎斯特稳定判据和Bode图上的稳定判据6．稳定裕度的基本概念和计算方法7．频率特性与系统性能的基本关系（六）控制系统性能的校正了解校正装置和校正方法，熟悉串联超前校正、串联滞后校正的基本原理和方法。了解频率法反馈校正的基本原理和方法（选讲）。1．控制系统校正的基本概念和一般方法2．频率法串联超前校正的基本原理和方法3．频率法串联滞后校正的基本概念和方法4．频率法反馈校正的基本原理和方法（选讲）（七）非线性控制系统了解非线性系统与线性系统的区别，了解非线性特性和非线性系统的主要特征，学会非线性系统的描述函数分析方法，了解非线性系统的相平面分析法（选讲）。1．非线性系统的基本概念2．典型非线性特性、非线性系统的主要特征3．描述函数定义、应用条件和求取方法4．应用描述函数分析非线性系统的稳定性5．非线性系统自激振荡分析和计算6．介绍非线性系统相平面分析法（选讲）四、所含实践环节通过对MATLAB仿真软件的学习，掌握MATLAB软件的基本应用方法，能够学会运用MATLAB软件分析控制系统的性能和基本设计方法。自动控制理论的实验安排在课程内计算机上完成，开设4个实验：1．熟悉MATLAB软件的基本使用方法，并利用MATLAB程序实现控制系统典型环节的性能仿真。（验证性实验）2学时2．利用MATLAB程序绘制控制系统阶跃响应曲线、计算性能指标，讨论开环放大倍数对闭环系统响应速度、稳定性和稳态误差的影响。（验证性实验）2学时3．利用MATLAB程序绘制控制系统的Nyquist曲线、Bode图，计算控制系统的幅值裕度和相位裕度。（验证性实验）2学时4．利用MATLAB软件设计控制系统（设计性实验）2学时五、课外习题及课程讨论为达到本课程的教学基本要求，课外习题一般不应少于50题。六、教学方法与手段本课程采用以课堂板书为主适当结合多媒体课件并辅以上机实验的方式进行教学。七、各教学环节学时分配章节（或内容）讲课习题课讨论课上机其它合计自动控制系统的基本概念4控制系统的数学模型102线性系统的时域分析法102根轨迹分析法8线性系统的频域分析法122控制系统的校正62非线性系统6合计56864八、考核方式本课程考核为期末闭卷笔试和平时考核相结合。学生的课程总评成绩由平时成绩（占30%）和期末考试成绩（占70%）两部分构成，平时成绩中上机实验成绩占20%，出勤、作业、课堂提问、学习主动性等占10%。九、推荐教材和教学参考书教材：《自动控制原理》，国防工业出版社，王划一主编，2001年参考书：《自动控制原理》，国防工业出版社，胡寿松主编，1994年《自动控制原理》，清华大学出版社，吴麒主编，1990年《现代控制工程》，电子工业出版社，KatsuhikoOgata著，卢伯英、于海勋等译，2000年大纲制订人：杨志超大纲审定人：李先允制订日期：2005年6月《自动控制原理》课程实验教学大纲一、实验教学目标与基本要求《自动控制原理》课程实验通过上机使用MATLAB软件，使学生初步掌握MATLAB软件在控制理论中的基本应用，学会利用MATLAB软件分析控制系统，从而加深对自动控制系统的认识，帮助理解经典自动控制的相关理论和分析方法。通过本课程上机实验，要求学生对MATLAB软件有一个基本的了解，掌握MATLAB软件中基本数组和矩阵的表示方法，掌握MATLAB软件的基本绘图功能，学会MATLAB软件中自动控制理论常用函数的使用，学会在MATLAB软件工作窗口进行交互式仿真和使用M_File格式的基本编程方法，初步掌握利用MATLAB软件进行控制系统设计，让学生得到撰写报告的基本训练。二、本课程实验的基本理论与实验技术知识采用MATLAB软件上机进行实验，就是利用现代计算机硬件和计算机软件技术，以数字仿真技术为核心，实现对自动控制系统基本理论和分析方法的验证以及控制系统设计。通过上机实验，使学生在MATLAB软件的基本使用、编程调试、仿真实验数据的获取、整理、分析以及实验报告的撰写等基本技能得到训练。三、实验方法、特点与基本要求本课程实验采用计算机MATLAB软件仿真方法，其特点是利用MATLAB软件丰富的功能函数、灵活的编程和调试手段以及强大的人机交互和图形输出功能，可以实现对控制系统直观和方便的分析和设计。本课程实验的基本要求是，使学生对MATLAB软件有一个基本的了解，掌握MATLAB软件中基本数组和矩阵的表示方法，掌握MATLAB软件的基本绘图功能，学会MATLAB软件中自动控制理论常用函数的使用，学会在MATLAB软件工作窗口进行交互式仿真和使用M_File格式的基本编程方法，初步掌握利用MATLAB软件进行控制系统设计，让学生得到撰写报告的基本训练。四、实验主要仪器设备配备有50台计算机，并安装MATLAB6.X软件。五、实验项目的设置与内容提要序号实验项目内容提要实验学时实验类型每组人数实验要求1控制系统典型环节性能分析熟悉MATLAB软件的基本使用方法，并利用MATLAB实现控制系统典型环节性能的仿真分析2验证1必做2自动控制系统的稳定性和稳态误差分析利用MATLAB程序绘制控制系统阶跃响应曲线、计算性能指标，讨论开环放大倍数对闭环系统响应速度、稳定性和稳态误差的影响2验证1必做3自动控制系统频域分析利用MATLAB程序绘制控制系统的Nyquist图、Bode图，判别稳定性，计算控制系统的幅值裕度和相位裕度2验证1必做4控制系统校正及设计利用MATLAB软件设计控制系统2设计1必做六、实验报告要求每次上机实验必须提交实验报告。实验报告由实验原理、实验内容、仿真程序、实验数据记录及分析处理等内容组成。七、考核方式与成绩评定标准实验成绩：预习10%、上机操作50%、报告40%八、教材及主要参考资料教材：《自动控制理论实验指导书》，王芳、杨志超编写，2007年参考书：《自动控制原理》，国防工业出版社，王划一主编，2001年《基于MATLAB的系统分析与设计》-控制系统，楼顺天、于卫编著，西安电子科技大学出版社，1999年《MATLAB控制系统设计与仿真》，赵文峰编著，西安电子科技大学出版社，2002年大纲制订人：杨志超大纲审定人：李先允制订日期：2005年6月自动控制原理授课计划（64学时）序号周时需用时数授课性质授课或实验内容摘要课外作业114理论教学绪论1-2、1-6222理论教学系统数学模型的特点、类型和建模原则系统微分方程的建立2-4(a)2-5(b)322理论教学非线性数学模型线性化线性系统的传递函数432理论教学线性系统的传递函数典型环节及其传递函数2-2(1)(2)2-82-9532理论教学系统结构图2-62-10(c)2-11(a)642理论教学信号流图及梅逊公式2-12(b)2-13(a)2-14(c)742上机实验控制系统典型环节性能分析上机实验完成实验报告852理论教学线性系统时间相应的性能指标一阶系统的时域分析1052理论教学二阶系统的时域分析3-21162理论教学二阶系统的时域分析高阶系统的时域分析3-31262理论教学线性系统稳定性概念、定义和条件线性系统的代数稳定判据3-41372理论教学线性系统的误差分析3-73-111472上机实验自动控制系统稳定性和稳态性能分析完成实验报告1581理论教学根轨迹法的基本概念1683理论教学绘制系统180根轨迹的基本法则4-21792理论教学0°根轨迹绘制及参变量根轨迹绘制4-124-1