自动控制原理课程教案(电气专54课时)

《自动控制原理》课程教案课程名称：自动控制原理学时/学分：54/3开课系部：机电系适用专业：电气自动化教案编写：王锋山东农业工程学院教务处制课程名称自动控制原理授课专业电气自动化班级14级课程代码课程类型专业基础必修课程（√）；选修课程（）授课方式课堂讲授（√）；实验（√）实训操作（）；讨论（）；上机（√）考核方式闭卷（√）；开卷（）；课程论文（）具体操作（）；多种形式结合（）课程教学总学时数54学时学分数3学分学时分配课堂讲授38学时；实验课0学时；实训操作学时；讨论学时；上机16学时教材名称自动控制原理作者刘文定、谢克明出版社及出版时间电子工业出版处2013年1月指定参考资料自动控制原理作者胡寿松出版社及出版时间科学出版社2013年3月授课教师王锋职称讲师系部机电授课时间第一章：自动控制的一般概念（4学时）补充：拉普拉斯变换（4学时）第二章：控制系统的数学模型（12学时）第三章：线性系统的时域分析法（12学时）第五章：线性系统的频域分析法（14学时）第六章：线性系统的校正方法（8学时）备注以上每一章课时包括本章对应实验的课时在内。章节第一章学时4授课类型讲授教学目的要求1．要求学生了解自动控制系统的基本概念、基本变量、基本组成及工作原理2．理解信息反馈的含义和作用，区别开环控制和闭环控制3．绘制控制系统方框图教学重点难点1．广义系统的信息反馈及控制系统方框图的绘制教学方法手段采用工程实例和设疑方法引导学生用系统论，信息论观点分析广义系统的动态特征、信息流，理解信息反馈的作用。绘制控制系统方框图。在讲述控制理论发展史引入我国古代指南车和“二弹一星”特殊贡献科学家——钱学森在自动控制理论方面的成就，进行爱国主义和专业教育。在讲述控制系统系统设计概论，引用转台转速控制和磁盘驱动读取系统的设计实例，强化设计训练。教学分组无参考资料《自动控制原理》黄坚，高等教育出版社教学内容及过程旁批教学内容与教学设计1、动控制理论的基本概念；自动控制系统；控制器；自动控制过程；自动控制系统举例。2、自动控制理论的形成；为了适应大规模工业生产的需要；工业革命需要；军事发展需要。3、自动控制理论发展历史；2次世界大战形成经典控制理论；60年代-70年代形成现代控制理论；70年代形成大系统理论；后来形成智能控制理论。4、自动控制的基本原理；给定控制量；生产过程参数变化或系统受到干扰偏离系统要求；形式控制误差；控制器调节生产过程，消除误差。5、自动控制的基本控制方式；开环控制；闭环控制；反馈控制；前馈控制；复合控制。6、反馈控制理论；自动控制系统举例；函数记录仪；电阻炉微型计算机温度控制系统；锅炉液位控制系统。1、自动控制系统的分类；线性连续控制系统；恒值控制系统；随动控制系统；程序控制系统。线性定常离散控制系统；非线性控制系统。2、自动控制系统的基本要求；稳定性；快速性；准确性。3、典型输入：阶跃函数，斜坡函数，脉冲函数，正弦函数。4、课程性质。思考与训练习题1-1,1-2,1-3,1-5，课后小结本章作为绪论，已较全面地展示了控制理论课程的全貌，叙述了今后在课程的学习中要进行研究的各个环节内容和要点，为了今后的深入学习和理解，要特别注意本章给出的一些专业术语及定义。章节补充：拉布拉斯变换学时2授课类型讲授教学目的要求掌握拉普拉斯变换的定义、性质和反变换的应用，主要掌握运算电路图的画法，熟练掌握用拉普拉斯变换分析电路；掌握跃变的概念，了解卷积和网络函数的应用。教学重点难点教学重点：拉普拉斯变换的定义、性质和反变换的应用；运算电路图的画法；用拉普拉斯变换分析线性电路；网络函数（加冲激函数）和卷积的概念。教学难点：拉普拉斯反变换（单根、复根、重根）；运算电路图；复频域分析法；卷积。教学方法手段1、板书讲述拉普拉斯变换的定义，交代复频域的概念。2、拉普拉斯变换存在的条件。3、拉普拉斯反变换。4、9个性质的推导、证明及应用举例。5、例题和练习题。教学分组无参考资料《工程数学》高等教育出版社教学内容及过程教学内容与教学设计引言拉普拉斯拉斯变换可用于求解常系数线性微分方程，是研究线性系统的一种有效而重要的工具。拉普拉斯拉斯变换是一种积分变换，它把时域中的常系数线性微分方程变换为复频域中的常系数线性代数方程。因此，进行计算比较简单，这正是拉普拉斯拉斯变换（简称：拉氏变换）法的优点所在。拉普拉斯拉斯变换的定义一个定义在区间的函数,其拉氏变换定义为L[f(t)]=F(s)=式中：s=б+jω为复数，有时称变量S为复频域。应用拉普拉斯拉斯变换进行电路分析有称为电路的复频域分析，有时称为运算法F(s)又称为f(t)的象函数，而f(t)称为F(s)的原函数。通常用“L[]”表示对方括号内的函数作拉氏变换。拉普拉斯变换的基本性质本节将介绍拉氏变换的一些基本性质，利用这些基本性质，可以很容易的求得一些较复杂的原函数的象函数，同时，这些基本性质对于分析线性非时变网络也是非常必要的。一、唯一性定义在区间的时间函数与其拉氏变换存在一一对应关系。根据可以唯一的确定其拉氏变换；反之，根据，可以唯一的确定时间函数。唯一性是拉氏变换非常重要的性质，正是这个性质，才是我们有可能将时域中的问题变换为复频域中的问题进行求解，并使在复频域中求得的结果有可能再返回到时域中去。唯一性的证明从略。二、线性性质若和是两个任意的时间函数，其拉氏变换分别为和，和是两个任意常数，则有证根据拉氏变换的定义可得例求的拉氏变换。解三、时域导数性质（微分性质）例应用时域导数性质求的象函数。四、时域积分性质（积分规则）例：求单位斜坡函数及的象函数。五、时域平移性质（延迟性质）思考与训练补充练习题课后小结本章作为数学基础，学生学习有难度，要求做到认真仔细。章节§2.1控制系统时域数学模型学时4授课类型讲授教学目的要求掌握时域数学模型、熟悉数学模型的建立方法教学重点难点重点：数学模型的建立方法难点：物理过程的数学模型建立方法教学方法手段本章涉及的数学知识较多，主要有复变函数、拉氏变换和线性代数。要求学生从应用出发进行适当复习，学用结合，急用先学，学习过程中应注意基本概念、基本原理和基本方法以及工程的观念，重在应用。同时介绍应用MATLA软件求解不同参数和输入情况下的响应，即可视化解，帮助学生学会运用计算机进行辅助分析和设计。教学分组无参考资料《自动控制原理》李友善，国防工业出版社教学内容及过程旁批教学内容与教学设计1、数学模型的基本概念；2、线性元件的微分方程的建立过程；（1）根据物理定律列写基本元件的物理方程；（2）消去中间变量；（3）整理系统的微分方程。3、控制系统微分方程得建立过程；（1）化整为零，分解成典型环节；（2）列写典型环节的微分方程；（3）积零为整，消除中间变量；（4）整理系统的微分方程。4、线性系统的特性：（1）叠加性；（2）齐次性。5、线性定常微分方程的求解；（1）待定系数法；（2）算子法；（3）Laplace变换法。6、非线性系统微分方程线性化。（1）确定静态工作点；（2）在工作点附近按小信号展开成Taylor级数；忽略高次项，取线性多项式。思考与训练习题2-1，2-2，2-3，2-4课后小结内容多，加强练习章节§2.2控制系统的复数域数学模型学时4授课类型讲授教学目的要求掌握传递函数的定义和性质、熟悉传递函数的求取过程教学重点难点重点：传递函数的定义和性质难点：传递函数的求取教学方法手段本章涉及的数学知识较多，主要有复变函数、拉氏变换和线性代数。要求学生从应用出发进行适当复习，学用结合，急用先学，学习过程中应注意基本概念、基本原理和基本方法以及工程的观念，重在应用。同时介绍应用MATLA软件求解不同参数和输入情况下的响应，即可视化解，帮助学生学会运用计算机进行辅助分析和设计。教学分组无参考资料《自动控制原理》李友善，国防工业出版社教学内容及过程旁批教学内容与教学设计1、复频域的概念；复变函数；2、传递函数定义；在零初始条件下，系统输出量的Laplace变换域输入量的Laplace变换之比。定义为系统的传递函数。3、传递函数的性质；（1）传递函数是复变量s的实系数有理真分式；（2）传递函数表示输出量与输入量之间传递关系的数学表达式；（3）传递函数与微分方程具有相通性；（4）传递函数的反Laplace变换是系统的脉冲响应。4、传递函数零极点；（1）使传递函数为零的点为传递函数的零点；（2）使传递函数分母为零的点为传递函数的极点。5、传递函数零极点对输出响应的影响。（1）传递函数的极点决定系统的响应形式，即振型；（2）吃大户撒零点决定各响应分量的比重。6、典型部件的传递函数；（1）电位器（比例环节）；（2）测速发电机（微分环节）；（3）伺服电动机（惯性环节）（4）RLC电路（二阶振荡环节）；（5）单容水槽（延迟环节）。思考与训练习题2-5，2-11，2-13，2.15课后小结内容多，加强练习章节§2.3控制系统的结构图与信号流图学时2授课类型讲授教学目的要求掌握系统结构图的基本组成、等效变换教学重点难点重点：控制系统结构图及其等效变换难点：结构图等效变换教学方法手段多媒体教学与板书相结合教学分组无参考资料《自动控制原理》李友善，国防工业出版社教学内容及过程旁批教学内容与教学设计1、系统结构图的组成；信号线；引出点（测量点）；比较点（综合点）；方框（环节）。2、绘制系统结构图举例；电压测量反馈控制系统；直流电机调速控制系统。3、结构图等效变换；串联方框图化简（等效）；并联方框图化简（等效）；反馈控制系统（反并联）化简（等效）；比较点移动；分支点前移；分支点后移。4、系统化简；综合点可以交换；分支点与综合点不能交换；先内环，后外环。5、举例。6、信号流图的基本概念；节点表示系统变量；支路表示增益；信号线方向表示信号传递方向；节点可以任意设置；信号流图具有非惟一性。7、信号流图的基本成分；源节点（输入节点）；阱节点（输出节点）；混合节点；前向通道（前向通路）；回路；不接触回路。8、信号流图的组成；（1）节点；（2）通道；（3）回路；9、信号流图的绘制；（1）信号线对应节点；（2）方框对应增益；（3）Mason公式；10、利用Mason公式化简系统。思考与训练习题2-16，2-17，2-18，2-21课后小结练习要多，熟能生巧。章节实验一MATLAB仿真软件概述学时2授课类型实验教学目的要求掌握MATLAB仿真软件的基本应用教学重点难点MATLAB仿真软件教学方法手段多媒体教学与上机练习相结合教学分组无参考资料反馈控制系统设计与分析——MATLAB语言应用，薛定宇，清华大学出版社教学内容及过程旁批教学内容与教学设计1．拉氏变换和反变换例求22)(2tttf的拉氏变换解键入symsst;ft=t^2+2*t+2;st=laplace(ft,t,s)运行结果为st=2/s^3+2/s^2+2/s例求)2)(34(6)(2sssssF的拉氏反变换解键入symsst;Fs=(s+6)/(s^2+4*s+3)/(s+2);ft=ilaplace(Fs,s,t)运行结果为ft=3/2*exp(-3*t)+5/2*exp(-t)-4*exp(-2*t)2。求根运算例求多项式43)(23sssp的根，再由根建多项式。解键入p=[1304];r=root(p)运行结果为r=-3.35530.1777+1.0773i1.7777-1.0773i键入p=poly(r)运行结果为p=1.00003.00000.000040000例实现多项式相乘：)4)(123(2sss，并求5s时的值。解键入p=[321];q=[14];n=conv(p,q)运行结果为n=31494键入vlaue=polyval(n,-5)运行结果为value=-663．微分方程求解例解下列微分方程：1)(2)(3)(322tydttdydttyd初始条件0)0()0('yy解键入y=dsolve('3*D2y+3*Dy+2*y=1','y(0)=0,Dy(0)=0')运行结果为y=1/2-1/2*exp(-1/2