自动控制原理电子教案-胡寿松

《自动控制原理教案》教材：自动控制原理，科学出版社，主编：胡寿松主讲：李界家1《自动控制原理》课程教案前言一、重要性1、自动控制原理是自动化专业主干课程，是最重要的专业基础课，该课程涉及到电路、电机拖动、电子技术等方面的知识，为学好专业课打下良好的基础。2、自动控制原理课不仅是高校控制类专业必修课程，而且越来越多的非控制专业也列入必修课，也各高校研究生入学考试的课程。3、自动化的核心是控制技术，控制技术的的基础是控制理论，没有先进的控制理论就没有先进的控制技术。二、本课主要内容自动控制系统的基本概念、控制系统的数学模型建立、介绍线性系统的时域分析、根轨迹分析、频域分析三大分析设计方法，并介绍校正的相关概念与系统校正的设计方法。三、如何学好该课程要学好这门课程主要把握几个环节：1、知识的连续性，一环扣一环，及时消化理解；2、要掌握好电路、电机拖动及模拟电子技术方面的知识；3、加强作业练习，作好课堂笔记；4、利用好答疑时间，发现问题及时解决；5、加强实践环节，上好实验课。四、参考书1、卢京潮编著，自动控制原理，西北工业大学出版社，2004年9月2、蒋大明等编著，自动控制原理，清华大学出版社，2003年3月3、谢克明等编著，自动控制原理，电子工业出版社，2004年4月4、杨自厚编著，自动控制原理，冶金工业出版社，2002年5月卢京潮编著：《自动控制原理教案》教材：自动控制原理，科学出版社，主编：胡寿松主讲：李界家2主要特点：（1）内容较丰富；（2）有系统仿真分析；（3）第一章有相关新知识。蒋大明等编著：主要特点：（1）系统实例较多，具有一定的实用性。（2）主要参考第二章和第五章内容。杨自厚编著主要特点：（1）系统设计方面讲述全面、系统。（3）主要参考第三章、第五章和第六章内容。五、学时分配（80学时）章讲课内容学时1自动控制的一般概念42自动控制系统的数学摸型123时域分析法104根轨迹法105频率特性法146控制系统的校正与综合167非线性系统分析10机动4合计80六、本课程自学内容1、动态误差系数（2学时）提纲：广义误差系数：动态位置误差系数、动态速度误差系数、动态加速度误差系数等。要求：能求系统的动态误差。所需知识：传递函数、稳态误差2、高阶系统（2学时）提纲：（1）高阶系统的单位阶跃响应。（2）高阶系统的动态性能估算。要求：能求出高阶系统的单位阶跃响应，并能对系统进行分析。所需知识：传递函数、一阶、二阶系统单位阶跃响应等。《自动控制原理教案》教材：自动控制原理，科学出版社，主编：胡寿松主讲：李界家33、零度根轨迹（2学时）提纲：（1）零度根轨迹的绘制要求：主要掌握零度根轨迹的绘制及分析方法。所需知识：传递函数、根轨迹的绘制法则等。4、校正装置（2学时）提纲：（1）滤波型调节器。（2）PID控制器的调整。要求：掌握滤波型调节器功能及使用方法以及PID控制器的调整方法。所需知识：传递函数、基本校正装置等。七、学科前沿知识1、国内外复合控制系统的发展状况，神经网络、模糊控制等智能控制技术的结合的控制技术特点。2、系统的校正方法最新发展动态及主要思想。八、成绩考核实验成绩20分，平时成绩10分，期中考试成绩15分，阶段测验10分，期末考试45分。其中平时成绩：作业5分、课堂笔记2分、表现3分九、教案书写说明：1、带有下划线的为板书内容；2、思考题一部分是作业题，一部分是课堂讨论题；3、多媒体教学中，部分内容没有列入教案；4、课堂讨论主要以习题课为主。《自动控制原理教案》教材：自动控制原理，科学出版社，主编：胡寿松主讲：李界家4第一章自动控制的一般概念教学目的：通过本章学习，熟悉自动控制系统的相关概念，了解自动控制理论的发展与应用，掌握自动控制系统的基本概念，了解自动控制系统的组成、分类及对自动控制系统稳、准、快三方面的基本要求。教学重点：掌握闭环控制系统的基本概念与分析方法。教学难点：复合系统的分析。本章知识结构图：按给定量控制方式开环控制方式按扰动控制方式(顺馈控制)自动控制系统的基本控制方式反馈控制(按偏差控制)按给定量补偿复合控制:按偏差控制+按扰动补偿比较、计算测量元件被控对象测量元件执行元件给定值干扰被控量控制装置第一讲第一章第一节、第二节授课学时2教学目的及要求目的：了解自动控制理论的发展与应用，掌握自动控制系统的基本概念。要求：能分析闭环控制系统的工作原理及特点。教学难点及重点及措施重点：闭环控制系统的分析方法。难点：复合系统的分析。措施：1、突出重点：引用系统实例分析，采用采用系统流程分析方法。2、解决难点：通过实例分析，讲述复合控制方法的相互关联及功能。授课方法通过系统实例分析，介绍相关的概念及原理。（现代化）教学手段多媒体与板书结合板书部分用下划线标注。作业思考题师生互动P161.1思考题：国内外自动控制技术的发展趋势如何？开环系统与闭环系统有何区别？《自动控制原理教案》教材：自动控制原理，科学出版社，主编：胡寿松主讲：李界家51.1自动控制的基本原理与方式一、自动控制技术的发展及应用1、发展：经典控制理论→现代控制理论→智能控制理论2、应用：机械、冶金、石油化工，航空、航天、工农业生产、人们生活的各个领域。人造卫星的发射与返回、导弹发射等。二、几个基本概念1、自动控制：在没有人参与的情况下，通过控制器使某些物理量按照指定的规律变化。2、自动控制系统：由控制器和被控对象组成的能实现自动控制任务的系统。三、系统实例u0Δu-KFDCFKZTGukuautnIa图1-1龙门刨床速度控制系统原理图1、组成及各部件的作用：SM主电动机；KZ整流装置；TG测速发电机；FD放大器；CF触发器2、系统的功能：负载变化（外界扰动）使速度发生变化，通过系统调节使其恒速。3、工作原理：负载速度utΔuukua速度四、自动控制系统基本控制方式1、开环控制系统（1）定义：控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系。《自动控制原理教案》教材：自动控制原理，科学出版社，主编：胡寿松主讲：李界家6（2）特点：没有自动修正偏差的能力，抗干扰能力差，但价格低，适用于精度要求不高的场合。u0Δu-KFDCFKZSMukuaIau图1-2龙门刨床速度开环控制系统原理图给定输入放大器触发器晶闸管电动机nukuu0ua图1-3龙门刨床速度开环控制系统方框图2、闭环（反馈）控制系统比较电路放大器触发器晶闸管电动机测速发电机u0∆uukuautn-图1-4龙门刨床速度控制系统方块图串联补偿元件放大元件执行元件被控对象反馈补偿元件测量元件输入量-主反馈-局部反馈输出量图1-5闭环（反馈）控制系统基本组成框图（1）闭环（反馈）系统的基本组成○：比较元件：是测量元件与给定量进行比较；－：表示负反馈；＋：表示负反馈；前向通道：从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路；《自动控制原理教案》教材：自动控制原理，科学出版社，主编：胡寿松主讲：李界家7反馈通路：从输出端到输入端的传输通道；扰动量：能引起输出量发生变化的量。（2）系统参量说明n：被控量；u0：给定量；ua：控制量；ut：反馈量；Δu：偏差量（3）各元件的作用①测量元件：检测被控制的物理量（传感器、测速发电机等）。②给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量（参据量）。③比较元件：将测量元件检测的被控量与给定元件给出的期望值比较，求出其偏差。④放大元件：偏差信号放大，推动执行元件。⑤执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。⑥补偿元件（校正元件）：产生控制作用的元件（电子电路或计算机）。3、复合控制系统复合控制方式：两种或两种以上的控制结合称复合控制方式。（反馈控制和扰动控制）*4、复合控制最新技术（学科前沿知识）（1）国内外神经网络与模糊复合控制应用及特点；（2）与一般复合控制方式的区别。1．2自动控制系统示例放大滤波A/D变换器TP301-B单板计算机D/A变换器触发器电炉电阻丝热电偶图1-6电阻炉计算机温度控制系统1、系统组成：（1）放大滤波（2）A/D变换器（3）D/A变换器（4）整流2、工作原理：检测T↑→放大→A/D→计算机分析→控制→D/A→《自动控制原理教案》教材：自动控制原理，科学出版社，主编：胡寿松主讲：李界家8改变输出→T↓3、特点：（1）闭环（2）自动控制（3）计算机控制第二讲第一章第三节、第四节授课学时2教学目的及要求目的：通过本次课学习，使学生了解不同控制系统的特点及应用场合，掌握评价自动控制系统的三要素。要求：能对各种自动控制系统进行定性分析。教学难点及重点及措施重点：掌握自动控制系统基本要求。难点：典型输入信号与实际系统的联系措施：1、突出重点：采用多媒体教学，用系统实例分析方法，阐述系统基本要求。2、解决难点：将典型信号分析与系统实例有机结合。授课方法通过系统实例分析，阐述自动控制系统的基本要求（现代化）教学手段多媒体课件与板书结合作业思考题师生互动P171.21.5思考题：评价系统性能的三大要素是什么？1、对控制系统设计有哪些要求？2、静态指标主要指什么？1．3自动控制系统的分类按控制方式分类：（1）开环控制；（2）反馈控制；（3）复合控制按给定量的变化规律分类：（1）恒值系统（2）随动系统（3）程序控制系统。恒值系统：给定量（参据量）不变，要求被控量维持某个特定的值。（调节原理）随动系统：给定量（参据量）是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化。（跟踪系统）程序控制系统：参据量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。按系统性能分为：（1）线性系统（2）非线性系统线性系统：组成系统的元件的特性均为线性的，可用一个或一组线性微分方《自动控制原理教案》教材：自动控制原理，科学出版社，主编：胡寿松主讲：李界家9程来描述系统的输入和输出之间的关系。线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加性。非线性系统：系统中只要有一个元件特性不能用线性微分方程描述其输入和输出关系，则称非线性系统。采用非线性系统分析方法，如果对非线性程度不高的可用线性系统理论的方法来处理。1.4对自动控制系统的基本要求一、基本要求自动控制系统是否能很好地工作，是否能精确地保持被控量按照预定的要求规律变化，着取决于被控对象和控制器各功能元件的参数是否设计得当。通常从稳、准、快个方面来衡量自动控制系统。1、稳定性（稳）稳定工作是对所有自动控制系统的基本要求，是一个系统能否工作的前提。2、准确性（准）系统过渡到新的平衡状态以后或系统对抗干扰重新平衡后，最终保持的精度，稳态精度与控制系统的结构、参数及输入信号形式有关。3、快速性（快）对动态过程的形式和快慢提出要求，（超调量、动态响应时间等）二、典型输入信号控制系统的动态性能,可通过在输入信号作用下系统的过渡过程来评价.典型输入信号：是根据系统常用的输入信号形式，大多数控制系统的输入信号未知,如火炮系统中敌机位置,无法预知,使火炮输入信号有随机性等.用典型信号描述.序号典型信号时域表达式复域表达式工程中的信号描述1单位阶跃信号0t1Y(t)0,011,0ttt11LtS电流突然接通负载突变2单位斜坡信号0,0,0tyttt21LtS船闸升降、机床加工斜《自动控制原理教案》教材：自动控制原理，科学出版社，主编：胡寿松主讲：李界家100tY(t)面3单位加速度信号0tY(t)20,01,02tyttt23112LtS4单位脉冲信号0tY(t),00,0tytt1Lt脉冲电压信号冲击力5正弦信号Y(t)t0sinyAwt22sinAwLAwtsw海浪的扰动力本章要点：1、自动控制、自动控制系统概念。2、自动控制系统可分为开环控制、闭环控制、复合控制。重点掌握闭环控制系统的原理。3、评价自动控制系统的动态性能的三大要素，可归纳为3个字：稳、准、快。《自动控制原理教案》教材：自动控制原理，科学出版社，主编：胡寿松主讲：李界家11