《自动控制原理》课程实施大纲.docx

控制装置课程实施大纲目录1 .教学理念1.课程介绍32 .教师简介7.先修课程83 .课程目标9.课程内容124 .课程实施17.课堂要求465 .课程实验教学48.课程考核方式及评分规程496 .学术诚信规定50.课堂规范517 .课程资源52.其它说明548 .学术合作备忘录55秀文化传统，形成对国家、民族命运的责任感，树立为祖国建设做贡献的人生理 想;通过控制理论发展史教学，可以使学生从杰出人物身上、从人类科学技术的 发展进程中体验到生命的价值和人生的意义，形成健康的审美情趣，形成真诚、 善良、健全的人格和求真、求实、创新的科学态度;通过控制发展史教学，使学 生认识人类社会发展的统一性和多样性，理解和尊重世界各国、各地区、各民族 的文化传统，形成开放的世界意识。6.课程内容课程的内容概要第一章明确自动控制的基本概念；掌握开、闭环控制的基本原理和特点；建 立系统概念。第二章熟悉常用元部件的数学模型；明确传递函数、微分方程、结构图和信 号流图之间的关系；熟练掌握利用结构图等效变换和Mason公式求系统传递函数 的方法。第三章熟悉系统阶跃响应性能指标；明确典型系统阶跃响应的特点及其动态 性能与系统参数、零极点分布的关系；明确稳定性概念及系统稳定的充要条件, 熟练掌握老斯判据及其应用；明确误差和稳态误差的定义，明确利用终值定理计 算稳态误差的限制条件；熟练掌握用终值定理求稳态误差的方法；明确影响稳态 误差的因素。第四章明确根轨迹的有关概念；熟练掌握绘制根轨迹的方法，能够利用根轨 迹定性分析系统性能随参数变化的趋势。第五章明确频率特性的物理意义及数学本质；熟悉典型环节的频率特性；熟 练掌握绘制开环对数频率特性的方法；熟练掌握由最小相位系统的开环对数频率 特性求传递函数的方法；理解奈奎斯特判据的原理，牢固掌握运用奈奎斯特判据 判断系统稳定性的方法；正确理解稳定裕度的概念及意义，会计算稳定裕度；掌 握开环对数频率特性与系统稳态、动态性能的关系，理解三频段的概念；明确闭 环频率特性与时域性能指标之间的关系。第六章熟悉超前、滞后网络的特性；掌握串联校正的方法；理解PID控制器 的作用。第七章熟练掌握判断离散系统稳定性和计算离散系统稳态误差的方法；明确 z平面闭环极点分布与系统动态响应间的关系。第八章明确描述函数的定义及有关概念，掌握用描述函数法分析非线性系统 稳定性和分析自振、计算自振参数的方法。6. 2教学重点、难点第一章自动控制的一般概念(1)教学目的：掌握自动控制系统组成结构和基本要素，理解自动控制的 基本控制方式和对系统的性能要求，了解一些实际自动控制系统的控制原理。(2)基本要求：掌握基本概念：自动控制、反馈、控制系统的构成。要求初步了解如何由系统原理图形成系统的原理方块图及判别控制方式的 方法。要求初步了解本门课程的意义与作用。(3)教学提示：透彻分析自动控制系统的反馈原理。(4)教学内容：a、自动控制的任务；b、自动控制的基本方式；c、对控制 系统的性能要求。(5)教学重点与难点：重点：基本控制方式及特点；对控制系统性能的基本要求难点：建立元件方块图的方法；自动控制系统实例(6)基本知识点：本章内容包括自动控制的定义、基本控制方式及特点， 对控制系统性能的基本要求，建立元件方块图的方法，自动控制系统的分类，自 动控制系统实例。第二章自动控制系统的数学模型(1)教学目的：掌握传递函数及动态结构图的概念、意义、求取方法和简 化方法；理解自动控制系统的建模方法和步骤；了解非线性微分方程的线性化方 法，掌握梅森增益公式的应用。(2)基本要求：掌握传递函数基本概念及性质，传递函数及动态结构图。掌 握求传递函数基本方法：结构图的变换。(3)教学内容：a、自动控制系统微分方程的建立；b、非线性微分方程的 线性化；c、传递函数；d、动态结构图；e、系统的脉冲响应函数；f、典型反馈 系统的传递函数；g、信号流图与梅森增益公式；(4)教学提示：着重阐明拉普拉斯变换与传递函数、动态结构图的关系。(5)教学重点与难点：重点：典型环节及其传递函数；方块图基本结构及化简；信流图和梅森公式 难点：拉氏变换；小偏差线性化(6)基本知识点：典型环节及其传递函数、结构图及化简、信流图和梅森 公式，控制系统传递函数的表示方法，小偏差线性化，分析建模法。第三章时域分析法(1)教学目的：掌握系统微分方程的拉普拉斯变换解法及判定系统稳定性 赫尔维茨判据、林纳德判据、劳思判据，理解针对一阶和二阶系统的分析计算以 及稳态误差的分析计算，了解改善系统响应的措施。(2)基本要求：掌握基本概念：典型响应、渐近稳定性及时域性能指标、 稳态误差。(3)教学内容：a、时域分析介绍；b、一阶和二阶系统分析与计算；c、系 统稳定性分析；d、稳态误差分析及计算。(4)教学提示：一、二阶系统的时间响应，暂态性能指标，主导极点的概 念，稳定性概念，劳思判据，稳态误差及终值定理。着重阐明稳定性判据和稳态 误差计算。(5)教学重点与难点重点：一、二阶系统的时间响应；稳定性概念；稳态误差难点：稳态误差的分析和计算(6)基本知识点：掌握基本方法：一、二阶系统性能指标的计算和参数选 择；系统稳定性和稳态误差的分析和计算。典型响应以阶跃响应为主。 第四章根轨迹(1)教学目的：掌握根轨迹概念、闭环零极点与开环零极点的关系，理解 绘制根轨迹的基本法则及其应用，了解系统闭环零极点分布与阶跃响应的关系。(2)教学要求：掌握基本概念：根轨迹、零极点、主导极点、偶极子。掌 握基本方法：根轨迹草图的绘制。掌握基本规律：根轨迹方程及其应用；零极点 分布与阶跃响应的关系。(3)教学内容：a、根轨迹与根轨迹方程；b、绘制根轨迹的基本法则；c、 广义根轨迹；d、系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系；e、系统阶跃响应的 根轨迹分析。(4)教学提示：着重阐述根轨迹基本法则及其应用。(5)教学重点与难点：重点：根轨迹的概念、原理、绘制法则难点：利用根轨迹对系统性能的分析(6)基本知识点：根轨迹的概念、原理、绘制法则，利用根轨迹对系统性 能的分析，偶极子和主导极点的概念、添加零极点对系统性能的影响。第五章频率域方法(1)教学目的：掌握系统频率特性概念、一些典型环节的频率特性以及系 统开环频率特性曲线的绘制方法，并掌握频率稳定性判据。理解稳定欲度以及系 统闭环、开环频率特性与阶跃响应的关系。(2)教学基本要求：掌握基本概念：频率特性、峰值、频带、截止频率、 稳定裕度、三频段。掌握基本方法、环节及开环系统对数频率特性曲线的绘制、 稳定性的判别及裕度的计算。掌握基本原理：稳定判据、频率特性和时域响应的 关系。要明确单反馈的最小相位与非最小相位在计算中的差别。3、教学内容：a、频率特性；b、典型环节的频率特性；c、系统开环频率特 性；d、频率稳定性判据；e、系统闭环频率特性与阶跃响应的关系；3系统开 环频率特性与阶跃响应的关系。(4)教法提示：着重讲解傅立叶变换与频率特性的联系以及频率特性的求 法。(5)教学重点与难点重点：频率特性的概念；典型环节频率特性；开环频率特性Nyquist图和 Bode图的绘制难点：奈氏判据(6)基本知识点：频率特性的概念，典型环节频率特性，最小相位系统， 非最小相位系统，开环频率特性Nyquist图和Bode图的绘制，奈氏判据，稳定 裕量，频域性能指标，频率特性与系统性能的关系。第六章控制系统的校正(1)教学目标：理解系统校正和设计概念，掌握系统校正的基本方式和方 法。(2)教学基本要求：掌握基本概念：串联(超前、滞后、PID)、反馈及复合 校正的特性及其作用。掌握基本方法：串联校正计算的对数频率法(二阶最佳模 型法)校正器参数的计算。(3)教学内容：a、系统校正设计基础；b、串联校正；c、串联校正的理论 设计方法；d、反馈校正；e、复合校正；4、教法提示：重点阐明串联校正及其 各种方法。(5)教学重点与难点重点：校正的基本概念；基本校正方式难点：各种校正方式对系统性能的影响。(6)基本知识点：校正的基本概念，常用校正装置及作用，基本校正方式, 以串联校正为主的频率响应综合法和根轨迹综合法，反馈校正的作用，复合校正 的概念。第七章系统采样理(1)教学目的：理解采样过程、采样定理以及脉冲传递函数的意义、掌握 Z变换及其反变换方法，并能对采样系统进行性能分析和数字校正。(2)教学基本要求：学习数字系统的数学模型、分析与设计方法，重点掌 握差分方程和脉冲传递函数数学模型，主要掌握数字控制系统的分析，学会模拟 控制器的数值化方法。（3）教学内容：a、采样过程和采样定理；b、信号的恢复和零阶保持器；c、 Z变换及其反变换；d、脉冲传递函数；e、采样系统的性能分析；f、采样系统 的数字校正。（4）教法提示：重点讲明采样过程分析和Z变换及其反变换方法。（5）教学重点和难点教学重点：采样过程与采样定理，信号保持，Z变换及Z反变换。教学难点：开环及闭环脉冲传递函数，采样系统的性能分析。（6）基本知识点：采样过程及采样定理。Z变换。脉冲传递函数。采样系 统时域分析。采样系统根轨迹法。采样系统的稳态误差。第八章非线性系统分析（1）教学目标：掌握相平面法和描述函数法，掌握相平面结构和奇点类型, 了解非线性系统的稳定性分析方法。（2）教学基本要求：掌握基本概念：串联（超前、滞后、PID）、反馈及复合 校正的特性及其作用。掌握基本方法：串联校正计算的对数频率法（二阶最佳模 型法）校正器参数的计算。（3）教学内容：a、非线性问题概述；b、常见非线性因素对系统运动特性 的影响；c、相平面法基础；d、非线性系统的相轨迹分析；e、描述函数；3用 描述函数法分析非线性系统。（4）教法提示：着重阐明相平面法和描述函数法及其应用。（5）教学重点与难点：常见非线性因素对系统运动特性的影响、非线性系 统的相轨迹分析、用描述函数法分析非线性系统。（6）基本知识点：本章主要介绍工程上常用的相平面法和描述函数法，并 通过这两种方法揭示非线性系统的一些出别于线性系统的现象。6. 3学时安排理论教学学时66早内容学时自动控制的一般概念4自动控制系统的数学摸型6.时域分析法12四根轨迹法8五频率特性法12八控制系统的校正与综合6七采样控制系统分析10八非线性系统分析4中期测试与期末总结2+2另外：实验教学学时6；开学初期的“matlab应用实训” 1周，以配合控 制理论教学；同时在课堂教学中演示控制理论的科学计算，强化matlab的应用; 在第5期的“系统建模与仿真课程设计” 2周中进一步强化控制理论的学习， 以深入理解控制理论间的有机体系，学生控制理论的研究方法，对不明白的理论 部分可自行设计实验加以验证，培养计算机应用能力和控制系统设计创新能力。 7.课程实施第一章自动控制的一般概念（1）教学目的及要求：1、明确该课程的性质和任务及在专业中的地位2、明确控制系统的任务、组成及自动控制的基本概念（被控对象，被控量， 给定量，干扰量等）。3、明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、被控量、控制装置和自控系 统等概念。4、正确理解三种控制方式，特别是闭环控制。教学内容提要：1.1 自动控制系统的基本原理自动控制的发展简史几个重要概念自动控制 在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象的被控量自 动地按预先给定的规律去运行。自动控制系统 指被控对象和控制装置的总体。这里控制装置是一个广义的 名词，主要是指以控制器为核心的一系列附加装置的总和。共同构成控制系统， 对被控对象的状态实行自动控制，有时又泛称为控制器或调节器。被控对象给定元件自动控制系统控制装置（控制器）测量元件 比较元件 放大元件 执行元件 校正元件负反馈原理把被控量反送到系统的输入端与给定量进行比较，利用偏差 引起控制器产生控制量，以减小或消除偏差。（2）三种基本控制方式实现自动控制的基本途径有二：开环和闭环。实现自动控制的主要原则有三：主反馈原则一一按被控量偏差实行控制。补偿原则一一按给定或扰动实行硬调或补偿控制。复合控制原则一一闭环为主开环为辅的组合控制。重点：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 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过程的组织及教学方式：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”特殊贡献科学家一一钱学森在自动控 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。播放自动控 制的发展史断片。对自动控制的发展历史进行启发性的阐述，特别是瓦特发明的 飞锤调速器，典型地表明了控制的应用.讨论作业习题的安排：通过互联网查资料了解控制的发展。教学手段的应用：多媒体，图片展示，举例说明 第一章自动控制的一般概念（2）教学目的及要求：1、学会自动控制系统分类。2、正确理解对控制系统稳、快、准的要求。3、明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征，特别是按数 学模型分类的方式。4、明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。教学内容提要：1.2 自动控制系统分类1.4对控制系统的基本要求几个重要概念（1）系统分类的重点重点掌握线性与非“生系统的分类，特别对线性系统的定义、性质、判别 方法要准确理解。,时域法 分析法J根轨迹法 频率法 状态方程1.4对控制系统的基本要求几个重要概念（1）系统分类的重点重点掌握线性与非“生系统的分类，特别对线性系统的定义、性质、判别 方法要准确理解。,时域法 分析法J根轨迹法 频率法 状态方程线性系统一4定常常系数微分方程传递函数频率特性状态方程I变系数微分方程分析法J时域法状态方程状态空间法非线性系统非线性系统描述J非线性微分方程1状态方程非本质分析法 线性化法描述函数法本质州法. > 相平面法状态空间法(2)正确绘制系统方框图绘制系统方框图一般遵循以下步骤：搞清系统的工作原理，正确判别系统的控制方式。正确找出系统的被控对象及控制装置所包含的各功能元件。确定外部变量(即给定值、被控量和干扰量)，然后按典型系统方框图的 连接模式将各部分连接起来。(3)对自控系统的要求对自控系统的要求用语言叙述就是两句话：要求输出等于给定输入所要求的期望输出值；要求输出尽量不受扰动的影响。恒量一个系统是否完成上述任务，把要求转化成三大性能指标来评价：稳定一一系统的工作基础；快速、平稳一一动态过程时间要短，振荡要轻。准确一一稳定精度要高，误差要小。理解信息反馈的含义和作用，区别开环控制和闭环控制绘制控制系统方框图难点：控制与自动控制控制的性能评价教学过程的组织及教学方式：侧重讲述开环控制和闭环控制的基本原理和特点，闭环(反馈)控制是本章 的重要概念。通过示例，建立起系统的基本概念，初步掌握由系统工作原理图画 出系统方块图的方法。动画演示系统。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。讨论作业习题的安排：P14 1、 2、 3、 4、 7教学手段的应用：多媒体，图片展示，举例说明 第二章控制系统的数学模型(3)教学目的及要求：1、一般掌握微分方程建立2、非线性方程线性化的方法。3、理解系统的相似性4、初步掌握由系统工作原理图画方框图的方法，并能正确判别系统的控制 方式。(1)确理解数字模型的特点，对系统的相似性、简化性、动态模型、静态模型、输入变量、输出变量、中间变量等概念，要准确掌握。(2) 了解动态微分方程建立的一般方法及小偏差线性化的方法。(3)掌握运用拉氏变换解微分方程的方法，并对解的结构，运动模态与特征 根的关系，零输入响应，零状态响应等概念，有清楚的理解。(4)会用MATLAB方法进行部分方式展开。对低阶的微分方程，能用部分 分式展开法或留数法公式进行简单计算。教学内容提要：数学模型的定义和建模方法，典型环节的模型建立(RLC电路、水箱系统、 弹簧系统、热容过程等)，比较不同物理对象的微分方程结构；非线性过程的线 性化过程举例本章主要介绍数学模型的建立方法，作为线性系统数学模型的形式，介绍了 两种解析式和两种图解法，对于每一种型式的基本概念，基本建立方法及运算， 用以下提要方式表示出来。微分方程式物理、化学及专业上白健本定律基本概念中间变量的作用简化性与准确性要求小偏差线性化理论直接列写法原始方程组 线性化 消中间变量 化标准形基本方法基本方法转换法由传递函数=""t C(s)二"岂 R(s) - N(s)C(s) = M(s)R(s)R(s) N(s)N(s)_d_N(p)c(t) = M(p)r。)一/微分方程由结构图-传递函数一微分方程 由信号流图一传递函数一微分方程方程求解.掌握拉氏变换法求解粉方程ff零输入解应用 <电枢控制直流电动机常用重要例题建,磁场控制直流电动机直流电机调速系统<I教学重点难点：介绍控制系统建模的基础知识和基本框架，研究用机理分析方法建立和简化 线性单变量系统的数学模型；1、系统微分方程列写2、绘制控制系统方框图3、非线性系统偏微线性化4、明确线性，非线性，本质非线性关系教学过程的组织：介绍电学对象，再介绍力学对象讨论作业习题的安排：复习拉普拉斯变换和反变换。教学手段的应用：多媒体；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。第二章控制系统的数学模型（4）教学目的及要求：1、熟练掌握传递函数的概念、定义、性质及局限性。明确零初始条件的物 理含义；明确传递函数与微分方程之间的关系。正确理传递函数的定义、性质和 意义，特别对传递函数微观结构的分析要准确掌握。2、掌握典型环节的传递函数；3、熟结构结构图概念4、明确开环与闭环传递函数；正确理解由传递函数派生出来的系统的开环 传递函数，闭环传递函数，前向传递函数的定义，并对重要传递函数如：控制输 入下闭环传递函数，扰动输入下闭环传递数函数，误差传递函数，典型环节传递 函数，能够熟练掌握。教学内容提要：1、传递函数概念复习拉普拉斯变换及性质2、典型环节的传递函数3、结构图的基本概念，建立和基本运算线性定常系统线性定常系统定义:一比值3零初始条件R(s)一对确定的输入输出基本概念V基本概念V零占X八、极点传递函数（零极点分布图与运动模态对应）典型环节典型环节标准解析式方程式传递函数零极点分布图单位阶跃响应特性1.教学理念十年树木，百年树人。人的培养是全方位的，立体的，持续的。围绕“育人” 这个核心，着眼于学生的持续发展、全面发展，树立学生的自立意识、自觉意识 和主动参与意识，培养学生的自学能力、实践能力和创新能力。教学活动始终以学习为“中心”，学生为主体，教师为指导和辅导，坚持以 人为本的宗旨。关注每一个学生的学习成长，以学生能力训练为核心，理论联系 实际，学以致用，因材施教，使学生在循序渐进的学习过程中自觉学习，培养学 生合作交流、探究新问题、创新实践方法的能力。通过介绍与本课程相关的新研究、新成果和新应用，拓展学生视野、激发学 习兴趣、增强课程认知、树立创新精神，为后续课程的学习以及未来工作打下扎 实的专业理论知识和探究思维训练基础。1.1 关注学生的发展教学不是唱独角戏，离开“学”无所谓“教”。必须确立学生的主体地位，教学 活动要从学生的思维和能力的发展出发。其次，要有“全人”的概念。学生发展是 全面的发展，而不是某一方面或某一学科的发展。教师千万不能过高地估计自己 所教学科的价值，也不能仅把学科价值定位在本学科上，而应定位在对一个完整 的人的发展上。1.2 关注教学的有效性关注教学效益就是要有时间与效益的观念。不能简单地把“效益”理解为“花最 少的时间教最多的内容”。教学效益不取决于教多少内容，而是以单位时间内学 生的学习结果与学习过程综合考虑的结果。关注可测性和量化。教学目标尽可能明确具体，以衡量自己的工作效益。但 是并不能简单地认为量化就是好的、科学的。科学地对待定量与定性、过程与结 果的结合，既要注重知识的量，也要注重思维和实践能力的培养，全面地反映学 生的学业成就与教师的工作表现。需要具备一种反思的意识。要不断地反思自己的日常教学行为：“我的教学 有效吗？ ”“什么样的教学才是有效的？ ”“有没有比我更有效的教学？ ”及时从学 生的反馈中改进教学方式，方法及进程，提炼总结更有效的教学方法。1.3 关注教学的策略自动控制原理课程所涉及的工程数学知识较多，且要求有较强的逻辑思 维能力。针对我校培养应用型工程技术人才的培养目标，并考虑到我校学生数学 基础较薄弱的特点，教师教学重知识和理论的应用，轻理论和公式的推导，明白 前因后果即可。课程实施主要采用讲授法、引导法、提问法、对比法、归纳法、 演示法、练习法以及实例分析等多种教学方法，同时结合教师自身的研究，以基定义法-由微分方程一元 传递函数基本方法图解法由结构图一A传递函数公式公式常用重要公式及传递函数G(s)=G(s) =(适用于单回路)1土Gk& (适用于回路两两交叉) i-E J由信号流图梅逊公式 传递函数重要传递函数控制输入下：Gr (s)=,G)(s) = R(s)R(s)扰动输入下：G“(s) = 8,Ga/=42八 D(5)加 0(5)教学重点难点：1、传递函数；2、系统结构图概念教学过程的组织：逐个讲解；提出问题一系统的描述讨论作业习题的安排：复习相应的数学知识P41 4 8 12 15教学手段的应用：比较，提问，多媒体 第二章控制系统的数学模型(5)教学目的及要求：1、熟练掌握利用结构图等效变换2、掌握系统结构图和信号流图两种数学图形的定义和组成方法，熟练地掌 握等效变换代数法则，简化图形结构。教学内容提要：1、相加点的移动2、引出点的移动3、结构图的化简结构图'数学模型结构的图形表示基本概念可用代数法则进行等效变换构图基本元素4种(方框、相加点、分支点、支路)由原始方程组画结构图基本方法 用代数法则简化结构图基本方法 用代数法则简化结构图串联相乘并联相加反馈连接=前向1+开环相加点和分支点移位由梅逊公式直接求传递函数。注意几点:1、相加点与分支点相邻，一般不能随便交换。9笺.盾刖而以前向通路的传递函数釉保持不变2、等效原则两条各回路中传递函数乘积呆持不变3、直接应用梅逊公式时，负反馈符号要记入反馈通路中的方框中去。另外 对于互不接触回路的区分，特别要注意相加点与分支点相邻处的情况。4、结构图可同时表示多个输入与输出的关系，这比其它几种解析式模型方 便的多，并可由图直接写出任意个输入下总响应。如：运用叠加原理，当给定输 入和扰动输入同时作用时，则有C(s)=G.(s)A(s)+O(s)(s) 教学重占难占：1、为构,图的并联、串联、反馈等效2、结构图化简教学过程的组织：概念学习；用电路建立结构图，结构图化简；结构图等效为信号流图，介绍梅孙公式及应用讨论作业习题的安排：P41 1(C) , P42 6, 7a, 7d, 教学手段的应用：多媒体，例题讲解，动画演示第二章控制系统的数学模型(6)教学目的及要求：1、学习信号流图系统的描述2、学梅森公式求传递函数，梅逊公式求系统传递函数的方法。3、正确理解两种数学模型之间的对应关系，两种数学图型之间对应关系， 以及模型和图形之间的对应关系，利用以上知识，熟练地将它们进行相互转换。 教学内容提要：信号流图同结构图一致基本概念V基本概念V改进二点构图元素2种有统一的公式求传递函数由原始方程组画信号流图 基本方法结构图翻译成信号流图代数法则同结构图一致nAk重要公式一梅逊公式 梅逊公式G = 凄A注意两点：1、搞清公式中各部分含义；2、公式只能用于等输入节点与较出节点之间的传播，不能等不 含输入节点情况下，任意两混合节点之间的传较。四种模型之间的转换关系可用图2-81表示教学重点：信号流图的表达教学难点：梅孙公式求解教学过程的组织：用信号流图列写简单电路的方程推导传递函数间的关系讨论作业习题的安排：P310 3教学手段的应用：介绍应用MATLAB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。第三章线性系统的时域分析(7)教学目的及要求：1、熟悉系统阶跃响应性能指标，了解典型外作用与典型外作用下系统输出 之间的关系。2、明确一阶系统阶跃响应的特点及一阶系统动态性能与系统特征参数之间 的关系；(1)正确理解时域响应的性能指标人td、一等)、稳定性、系统 的型别和静态误差系数等概念。(2)牢固掌握一阶系统的数学模型和典型时域响应的特点，并能熟练计算 其性能指标和结构参数。教学内容提要：引言时域分析法是通过直接求解系统在典型输入信号作用下的时间响应，来 分析控制系统的稳定性和控制系统的动态性能及稳态性能。控制系统的动态响应指标；工程上常用单位阶跃响应的超调量、调节时间和 稳态误差等性能指标评价系统的优劣。典型输入与时域性能指标一阶系统的动态响应、广义被控对象概念，一阶系统的响应与控制后的动 态性能，计算脉冲响应、阶跃响应、斜坡响应许多自动控制系统，经过参数整定和调试，其动态特征往往近似于一阶或二 阶系统。因此一、二阶系统的理论分析结果，常是高阶系统分析的基础。(1)时域分析法的基本方法是拉氏变换法：结构图 A G) = 8A。(s)=(s)R G) A C =厂C (s)R(s)(2)时域分析(i) 一阶系统的时域分析一阶系统的动态特性应用一阶微分方程描述。一阶系统只有一个结构参数， 即其时间常数T。时间常数T反应了一阶系统的惯性大小或阻尼程度。一阶系统 的性能由其时间常数T唯一决定。一阶系统的时间常数T,也可由实验曲线求出。 教学重点难点：1、统性能指标的定义2、一阶系统相应与时间常数关系3、终值定理的应用，稳态误差教学过程的组织：1、应用Matlab展示系统的时域响应，注意结合人工推导和物理意义的解释2、一阶系统的阶跃响应、斜坡响应，响应特性与系统参数间的对照关系 讨论作业习题的安排：预习二阶系统的时域响应P77 2教学手段的应用：1、黑板推导、多媒体课件2、Matlab演示多种情形响应，同时启发式引导同学们观察所需第三章线性系统的时域分析(8)教学目的及要求：1、明确二阶系统阶跃响应的特点及二阶系统动态性能与系统特征参数之间 的关系；21系统性能指标的使用；教学内容提要：1、二阶系统的动态响应，讲清二阶系统可以出现的各种响应模态，特别是 二阶欠阻尼系统的响应2、二阶系统的动态响应指标3、利用MATLA进行系统动态特性分析(二阶系统的时域分析)二阶系统的性能分析，在自动控制理论中有着重要的地位。二阶系统含有两 个结构参数，即阻尼比4和无阻尼振荡频率。阻尼比4决定着二阶系统的响 应模态。=0时，系统的响应为无阻尼响应；4=1时，系统的响应称为临界阻 尼响应；4>1时，系统的响应是过阻尼的；时，系统的响应为欠阻尼响 应。欠阻尼工作状态下，合理选择阻尼比的取值，可使系统具有令人满意的动 态性能指标。其动态性能指标有M/八加、小tp, ts, 一方面可以从响应曲线上读 取；二是它们与4有相应的关系，只要已知，就能很容易求出动态性 能指标。教学重点难点：1、系统响应模态与系统极点的影射关系，特别是二阶欠阻尼阶跃响应及系 统性能指标的定义；2、二阶系统的定义和基本参数，二阶系统单位阶跃响应曲线的基本形状与 阴尼比之间的对应关系，二阶系统性能指示的定义及其与Wn, C之间的关系教学过程的组织：1、二阶系统的单位阶跃响应，标准二阶欠阻尼系统的响应特性与系统参数 间的对照关系，以及按照它所定义的时域性能指标2、应用Matlab展示系统的时域响应，注意结合人工推导和物理意义的解释 以设疑法、对比法和用零极点观点具体地介绍线性系统稳定性，瞬态特性和稳定特性分析方法讨论作业习题的安排：讨论：二阶系统在控制时在稳快准三方面性能的“矛盾”，以及什么情况下 有好的响应波形形态作业：性能指标求取。P77 3、 4、 5教学手段的应用：1、黑板推导、多媒体课件2、Matlab演示多种情形响应，同时启发式引导同学们观察所需第三章线性系统的时域分析（9）教学目的及要求：1、正确理解主导极点的概念；了解估算高阶系统动态性能的零点极点法。2、明确稳定性概念及稳定的充要条件，熟练掌握劳斯稳定判据及其应用方法； 理解结构不稳定概念。教学内容提要：1、高阶系统的时域分析主导极点和偶极子的概念与计算举例，利用时域法 进行控制系统的简单设计举例2、稳定性的基本概念3、线性系统稳定的充分必要条件4、判别系统稳定性的基本方法5、劳斯判据稳定性分析控制系统是否稳定，是决定其能否正常工作的前提条件。任何不稳定的系统, 在工程上都是毫无使用价值的。稳定，是指系统受到扰动偏离原来的平衡状态后, 去掉扰动，系统仍能恢复到原工作状态的能力。应当特别注意，线性系统的这种 稳定性只取决于系统内部的结构及参数，而与初始条件和外作用的大小及形式无 关。线性系统稳定的充分必要条件是：系统的所有闭环特征根都具有负的实部， 或闭环特征根都分布在左半s平面。判别系统的稳定性，最直接的方法是求出系统的全部闭环特征根。但是求解 高阶特征方程的根是非常困难的。工程上，一般均采用间接方法判别系统的稳定 性。劳斯判据是最常用的一种间接判别系统稳定性的代数稳定判据。应用闭环特征方程各项的系数列写劳斯表，劳斯表各行第一列元的符号变化 次数，即为系统闭环不稳定的根的个数。应用劳斯判据时，应注意两种特殊情况 下，劳斯表的列写方法。劳斯判据也可用来确定系统稳定工作时，或系统的闭环极点分布在某一特殊 范围时，系统结构参数的允许变化范围。系统闭环特征多项式各项同号且不缺项，是系统稳定的必要条件(注意不是 充分条件)。教学重点难点：1 主导极点；2、劳斯判据；教学难点：偶极子；主导极点近似计算。教学过程的组织：应用Mat lab展示系统的时域响应，注意结合人工推导和物理意义的解释。 以设疑法、对比法和用零极点观点具体地介绍线性系统稳定性，瞬态特性和稳定 特性分析方法，并以工程实用方法为主，包括劳斯一一赫尔维茨判据及其应用， 高阶系统的主导极点分析法，基于终值定理稳态误差计算法和计算机仿真分析， 重在应用。讨论作业习题的安排：作业：稳定性判定练习：应用Matlab演示系统时域响应，围绕“主导极点”与“偶极子”，以 及稳态误差进行操作P78 9、 10教学手段的应用：1、黑板推导、多媒体课件2、Matlab演示多种情形响应，同时启发式引导同学们观察所需第三章线性系统的时域分析(10)教学目的及要求：1、明确误差和稳态误差的定义；明确利用终值定理进行计算的限制条件； 熟练掌握用终值定理求稳态误差的方法，明确影响稳态误差的因素，了解减小、 消除稳态误差的措施。教学内容提要：1、稳态误差定义和控制系统分类2、稳态误差与稳志误差系数稳态误差是系统很重要的性能指标，它标志着系统最终可能达到的控制精 度。稳态误差定义为稳定系统误差信号的终值。稳态误差既和系统的结构及参数 有关，也取决于外作用的形式及大小。教学重点难点：1、终值定理的应用，稳态误差2、系统误差的定义，稳态误差计算和减少误差方法3、静态特性误差系数计算法教学过程的组织：1、应用Matlab展示系统的时域响应，注意结合人工推导和物理意义的解释 基于终值定理稳态误差计算法和计算机仿真分析，重在应用。讨论作业习题的安排：作业：稳态误差求取练习：应用Matlab演示系统时域响应，围绕稳态误差进行操作P80 15教学手段的应用：1、黑板推导、多媒体课件2、Matlab演示多种情形响应，同时启发式引导同学们观察所需第三章线性系统的时域分析（11）教学目的及要求：1、明确误差和稳态误差的定义；2、扰动稳态误差分析教学内容提要：1、系统稳态误差分析中的几点结论2、动态误差系数与误差级数3、扰动引起的稳态误差稳态误差可应用拉氏变换的终值定理计算，步骤如下：（1）判别系统的稳 定性。只有对稳定的系统计算其稳态误差才有意义。（2）根据误差的定义求出 系统误差的传递函数。（3）分别求出系统对给定和对扰动的误差函数。（4）用 拉氏变换的终值定理计算系统的稳态误差。要注意，终值定理的使用条件为，误 差的相函数在右半s平面及虚轴上（原点除外）解析。系统稳定是满足终值定理 使用条件的前提。如果误差函数在右半s平面及虚轴上不解析，只能应用定义计 算稳态误差。对三种典型函数（阶跃、斜波、抛物线）及其组合外作用，也可利用静态误 差系数和系统的型数计算稳态误差。采用具有对给定或对扰动补偿的复合控制方案，理论上可以完全消除系统对 给定或（和）扰动的误差，实现输出对给定的准确复现。但工程上常根据输入信 号的形式实现给定无稳态误差的近似补偿。教学重点难点：1、终值定理的应用，稳态误差2、系统误差的定义，稳态误差计算和减少误差方法3、静态特性误差系数计算法教学过程的组织：1、应用Matlab展示系统的时域响应，注意结合人工推导和物理意义的解释 基于终值定理稳态误差计算法和计算机仿真分析，重在应用。讨论作业习题的安排：作业：稳态误差求取练习：应用Matlab演示系统时域响应，围绕稳态误差进行操作P80 16教学手段的应用：1、黑板推导、多媒体课件2、Matlab演示多种情形响应，同时启发式引导同学们观察所需第三章线性系统的时域分析（12）教学目的及要求：用MATLAB进行系统分析教学重点难点：介绍matlab的控制工具箱的部分命令，特别是时域分析的几个函数的用法， 并用于：1、一阶系统mat lab计算2、二阶系统matlab计算3、稳态误差理论计算与matlab计算4、matlab稳态误差计算和减少误差方法