自动控制原理经典部分课程教案

1、xx科技大学自动控制原理（经典部分）课程教案授课时间:适用专业、班级：编 写 人:编写时间:授课学时：4学时章名称第一章绪论第T 自动控制的基本原理与方式 第二节自动控制系统示例 第二节 自动控制系统的分类 第四节 对自动控制系统的基本要求备注教学目的 和要求1、了解自动控制的发展概况。2、掌握反馈控制系统的组成及原理。3、会根据实际控制系统绘制系统方框图。4、掌握控制系统性能的基本要求。重点 难点重点：开环控制和闭环控制的区别；反馈控制系统的组成及原理；控制系 统性能的基本要求；根据实际控制系统绘制系统方框图。难点：根据实际控制系统绘制系统方框图。教学方法 教学手段1、教学方法：课堂讲授法为

2、主；用精讲多问的方法突出重点，用分析举 例的方法突破难点。2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。教学进程 设计（含教 学内容、教 学设计、时 间分配等）一、 引入（约3min）从“自动化技术发展历史和应用”引入新课。二、教学进程设计（一）自动控制的发展和应用（约5min）1、应用：广泛应用于工业、农业、航空、航天、核反应等领域。2、发展经典控制理论现代控制理论（二）自动控制的基本概念（约42min）1、人工控制和自动控制：以水箱控制系统为例讲解2、基本概念：（举例）自动控制：在无人直接参加的情况下，利用控制装置使被控对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程。被控对象：要求实现自动控

3、制的机器，设备或生产过程。被控量：表现于控制对象或系统输出端，要求实现自动控制 的物理量。给定值：作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预 定功能或预定输出的物理量。扰动：所有影响控制量对被控量按要求进行正常控制的因素自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成3、组成和方框图以水箱控制系统为例，绘制系统方框图。4、反馈控制系统基本原理：用偏差纠正偏差。（三）基本控制方式（约30min）1、开环控制：只有前向通道而尢反馈通道，输出伍号不影响控制作用。特点是输出不影响输入、控制精度不高。以电机转速控制系统为例讲解按扰动控制和按给定控制两种开环控制方式。2、闭环控制：既有前向通道又有反馈通道，输

4、出信号影响控制作用。特 点是输出影响输入、控制精度高，因为可能发生超调和振荡，所以稳定性很重要。以电机转速控制系统为例讲解闭环控制方式。3、复合控制：开环控制和闭环控制的结合。（举例）（四）自动控制系统示例（约50min）1、函数记录仪（例题）2、电阻炉温度控制系统（练习）3、锅炉液位控制系统（例题）（五）自动控制系统的分类（约35min）1、按给定量变化规律分类：定值控制系统：输出量以一定的精度等于给定值，而给定值 一般小艾化。（举例）程序控制系统：自动控制系统的被控制量是根据预先编好的 程序进行控制的系统。（举例）随动控制系统：输出量能以一定精度跟随给定值变化的系统。（举例）2、按主要元件

5、特性分类：线性控制系统；非线性控制系统。3、按系统参数是否随时间变化定常系统：控制系统的参数在工作过程中不随时间而变化。时变系统：控制系统的参数在工作过程中随时1可而变化。4、按信号是否连续连续系统：如果系统中传递的信号都是时间的连续函数，则 称为连续系统。离散系统：系统中只要有一个传递的信号是时间上断续的信 号，则称为离散系统。举例分析系统的分类。（六）对自动控制系统的基本要求（约30min）1、基本要求：稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。准确性：说明系统的稳态（静态）品质。快速性：系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程的形式和 快慢。2、典型外作用：阶跃函数、脉冲函数、斜坡函数、正弦

6、函数。三、小结：（约3min）1、基本控制方式和组成原理2、自动控制系统的分类3、对自动控制系统的基本要求4、示例四、作业：（约2min）P16 习题 1-1 , 1-5授课学时：2学时章名称第二章 控制系统的数学模型第二章第一节 控制系统的时域数学模型备注教学目的 和要求1、掌握控制系统微分分程的建立和求解方法。2、了解非线性微分分程线性化思想。重点 难点重点：控制系统微分分程的建立；线性定常微分方程求解。 难点：非线性微分分程线性化。教学方法 教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用分析举例的方法突出重点、突破难点。2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。教学进程 设计（含教 学

7、内容、教 学设计、时 间分配等）一、 引入（约3min）从“建模重要性”引入新课。二、教学进程设计（一）建立微分方程的一骤（约5min）1、确定输入和输出量2、依据定律列写原始方程3、消去中间变量，写出微分方程4、将微分方程标准化。（二）线，住元件的微分方程（约30min）例题讲解：RLC网络电枢控制直流电动机弹簧质量阻尼器系统。（三）控制系统微分方程建立（约15min）1、由系统原理图画出系统方框图或直接确定系统中各个基本部件；2、列写各方框图的输入输出之间的微分方程，要注意前后连接的两个元件中，后级元件对前级元件的负载效应；3、消去中间变量以速度控制系统为例讲解。（四）线性系统特性（约10

8、min）叠加原理：（1）可叠加性（2）齐次性（五）线性定常微分方程的求解（约15min）1、直接求解法（举例）2、拉氏变换法（举例）（六）非线性微分方程的线性化（约15min）介绍小偏差法，讲解例题。三、小结：（约5min）1、微分方程的建立2、线性定常微分方程的求解作业：P70 习题 2-4（a）（约 2min）授课学时：2学时京IJ名称第二章第二节 控制系统的复数域数学模型备注教学目的 和要求1、掌握传递函数的定义和求取。2、了解传递函数的极点和零点对输出的影响。重点 难点重点：传递函数的定义和求取。难点：传递函数的极点和零点对输出的影响。教学方法 教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用

9、精讲多练的方法突出重点，用分析举 例的方法突破难点。2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。教学进程 设计（含教 学内容、教 学设计、时 间分配等）一、引入（约 3min） 入新课。（约 15min） J拉氏变换之比。己义）（约 15min）t。 的形式无关。（约 10min）m（s Z）、/* i 1从分析求解彳成分方程给系统分析和设U，巾来小方便弓二、教学进程设计（一）传递函数的定义定义：零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的（从用拉氏变换求解 RC网络的输出引出传递函数的无G（s）出 R（s）例题讲解。（二）传递函数的性质1、传递函数是以复变量 s为自变量的有理真分寸2、

10、传递函数只与系统本身结构参数有关，与外作用3、传递函数与微分方程有相通性。4、传递函数是系统单位脉冲响应的拉氏变换。（三）传递函数的局限性1、只适用于线性定常系统。2、只描述系统的外部特性。3、不能反映非零初始条件下的全部响应。（四）传递函数的零点和极点1、零、极点表送式bo（s 4）（s Z2）|l（S Zm）G（s）,、，、，、 nao（s R）（s P2） （s Pn）（s p）j 1Zi_零点，Pj_极点。2、时间常数表达式C6bm( 1s 1)( 2s2 2 2s 1|( is 1)G（s）-2 2an（T1s 1）（T22s2 2 T2s 1）（五）传递函数的极点和零点对输出的影响

11、传递函数的极点就是微分方程的特征根，极点形成用成系统的模态，但影响各模态所占的比重。举例分析。1 （Tjs 1）（约 20min）与统的模态，零点不形例题讲解。(六)典型划、节及其传递函数(约26min)1、比例环节：G(s) K例如电位器，测速发电机(以转速为输入)，减速器等。2、微分环节：G(s) TdS例如测速发电机(以角位移为输入)。、13、积分环节：G (s)TiS例如具有积分功能的运算放大器。 K4、惯性环节：G(s)Ts 1例如RC网络，单容水槽，电枢控制直流电动机等。 K?5、振荡环节：G(s) 22S 2 nsn例如RLC无源网络，双容水槽。、s6、延迟划、下：G(s) e三

12、、小结：(约3min)1、传递函数的定义、性质和求取2、典型划、节及其传递函数四、作业：(约1min)P70 习题 2-9, 2-10授课学时：2学时京IJ名称第二章第三节 控制系统的结构图与缶号流图（1）备注教学目的 和要求1、会绘制结构图。2、会由结构图等效变换求传递函数。重点 难点重点：结构图的绘制；由结构图等效变换求传递函数。 难点：复杂结构图的等效变换。教学方法 教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲多练的方法突出重点，用分析举例的 方法突破难点。2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。教学进程 设计（含教一、 引入（约3min）从“用数学图形描述系统的优点”引入新课

13、。二、教学进程设计（一） 结构图的组成（约7min）1、信号线：表示信号的传递方向。2、方框：表示输入和输出的运算关系，即C（S）=R（S）*G（S）。3、比较点：表示两个以上信号进行代数运算。4、引出点：一个信号引出两个或以上分支。（二）结构图的绘制（约40min）绘制：列写微分方程组，并列写拉氏变换后的子方程；绘制各子方程的结构 图，然后根据变量关系将各子结构图依次连接起来，得到系统的结构图。 例题讲解。（二）结构图的简化（约46min）任何复杂的系统结构图，各方框之间的基本连接方式只有用联、并联和反馈 连接三种。方框结构图的简化是通过移动引出点、比较点、交换比较点，进 行方框运算后，将串

14、联、并联和反馈连接的方框合并，求出系统传递函数。 1、串联的简化：学内容、教aG】（天叫/州男1 =富可心灯惮）四学设计、时 间分配等）G(s) G1(s)G2(s)2、并联的简化:G（s） Gi（s） G2（s）3、反馈连接方框的简化：幽萼G件=做叫 心 卜师+ WiJ-11土弓谒出付|(s)_ G(s) 11G(s)H(s)引出点的移动：移动前后保持信号的等效性。引出点前移5、引出点后移（约 3min）（约 1min）例题讲解。三、小结：1、结构图的绘制2、结构图的简化四、作业：P74 习题 2-17(c)(d)授课学时：4学时京IJ名称第二章第三节 控制系统的结构图与缶号流图(2)备注教

15、学目的 和要求1、掌握信号流图的概念和绘制方法；2、会用梅森公式求传递函数。重点 难点重点：信号流图的绘制；用梅森公式求传递函数。 难点：梅森公式的应用。教学方法 教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲多练的方法突出重点，用分析举 例的方法突破难点。2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。教学进程设 计(含教学 内容、教学 设计、时间 分配等)一、 引入(约3min)从“用结构图简化复杂系统的不方便”引入新课。二、教学进程设计(一)信号流图的组成及性质(约30min)1、组成：由节点和支路组成。节点代表变量，支路表示两个变量之间的 传输关系，相当于乘法器。2、性质：节点代表变量

16、；支路相当于乘法器；信号在支路上只能沿箭头方向单向传递；对于给定系统，佶号流图不唯一。3、术语源节点：只有输出支路，无输入支路的节点。阱节点：只有输入支路，无输出支路的节点。混合节点：既有输入支路，又有输出支路的节点。前向通路：信号从输入节点到输出节点传递时，每个节点只 通过一次的通路。回路：起点和终点在同一个节点，而且信号通过每一节点不 多干-次的闭合通路。不接触回路：回路之间没有公共节点。举例讲解。(二)信号流图的绘制(约40min)1、由微分方程绘制：列出微分方程；取拉氏变换笄考虑初始条件将方程式整理成因果关系式将变量用节点表示，根据方程所确定关系，依次画出各节点 的支路。例题讲解。2、

17、由结构图绘制用支路代替结构图的方框， 传递函数就是支路增益；用节点代替结构图中的信号线，相加点用一个混合节点代替。例题讲解。(三)梅森增益公式及其应用(约77min)1、梅森增益公式输入节点到输出节点的传递函数公式表示为:Pk从源节点到阱节点的第 k条前向通路总增益;1LaLbLcLdLeLf巾，称为特征式；k为 中除去与第k条前向通路相接触的部分。2、由梅森公式求传递函数例题讲解（四）闭环系统的传递函数（约20min）1、输入信号下的闭环传递函数Gi（S）G2（S）(s)1 G1(s)G2(s)H (s)2、扰动作用卜的闭环传递困数G2(s)N（S）1 G1(s)G2(s)H(s)3、闭环系

18、统的误差传递函数e(S)11 Gi(s)G2(s)H(s)/AG2(s)H(s)en (S)1 G(s)G2(s)H(s)三、本章总结、练习(约 26min)四、小结：(约 3min)1、由梅森公式求传递函数2、闭环系统的传递困数五、作业：(约 1min)P74 习题 2-19(d) , 2-21(a)授课学时：2学时京IJ名称第三章线性系统时域分析法第三章 第T系统时间响应的性能指标第三章 第二节一阶系统的时域分析备注教学目的 和要求1、掌握系统时间响应的性能指标；2、掌阶系统的数学模型和典型响应；3、熟练计算一阶系统性能指标。重点 难点重点：一阶系统的数学模型和典型响应；一阶系统性能指标的

19、计算。难点：一阶系统的典型响应。1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲的方法突出重点，用分析举例的2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。教学进程 设计（含教 学内容、教 学设计、时 间分配等）一、引入（约3min）从“时域分析法的特点”引入新课。二、教学进程设计（一）典型输入信号（约15min）名称时域表送式复域表送式单位阶跃函数1(t)1s单位斜坡函数t1s单位加速度函数1t延迟时间td 上升时间tr 21s单位脉冲函数(t)1正弦函数Asin tA22s（二）动态过程与稳态过程（约5min）5、动态过程：系统在典型信号作用下，系统输出量从初始状态到最终状 态的响应过程。6、稳态过

20、程：系统在典型信号作用下，当时间t趋于无穷时，系统输出量的表现方式。（三）动态性能与稳态性能（约20min）1、动态性能：峰值时间tp调节时间ts(5)超调量：%(p)L2 %h()2、稳态性能：稳态误差(四)一阶系统的数学模型：(约5min)(s)2， R( s) Ts 1(五)一阶系统的典型响应(约45min)1、单位阶跃响应/八 dt/Th(t) 1 etd0.69T性能指标：tr 2.20Tts 3T2、单位脉冲响应 1 t/Tc(t) e3、单位斜坡响应c(t) (t T) Tet/T4、单位加速度响应2 2t /Tc(t) -t2 Tt T2(1 e t/T)三、小结：(约5min

21、)1、系统时间响应的性能指标；2、一阶系统的数学模型和典型响应；3、一阶系统性能指标的计算四、作业：(约2min)P133 习题 3-1授课学时：4学时章名称第三章第三节 一阶系统的时域分析第三章第四节 身阶系统的时域分析备注教学目的 和要求1、掌握二阶系统的数学模型和典型响应；2、熟练计算欠阻尼二阶系统性能指标。重点 难点重点：欠阻尼二阶系统性能指标计算 难点：欠阻尼二阶系统分析。教学方法 教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲的方法突出重点，用分析举例的 方法突破难点。2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。教学进程 设计（含教 学内容、教 学设计、时 间分配等）一、引入（

22、约3min）从“分析二阶系统的意义”引入新课。二、教学进程设计（一）二阶系统的数学模型：（约10min）闭环一般形式：（s） KTs2 s K2闭环标准形式：（s）nS2 nSnn 不自然振荡频率1j= 阻尼比或阻尼系数2 . . . 一 一.一一， 一 ,一 一*(2)闭环极点与开环零点，开环极点和根轨迹增益K都有关系4、根轨迹方程：闭环特征方程：1 G(s)H(s) 0开环传递函数:根轨迹方程:(s Zj) j 1G(s)H(s) K j(s Pi)i 1m(s Zj) j 1K jn1(s Pi)i 1mn(s Zj )(sPi)j 1i 1nsPik-im； 模值条件sZjj 1(2

23、k 1)相角条件注意：满足相角条件的 S,也一定有对应的 K使之满足模值条件，所以 相角条件是判定 S在不在根轨迹上的充要条件。 当S满足相角条件时，它, .一*一7E在根轨迹上，所对应的K值，由模值条件确定。(二)绘制根轨迹的基本法则(约140min)法则1:根轨迹的起点和终点：根轨迹起始于开环极点，终止于开环零点；如果开环零点个数 m少于开环极点个数 n,则有(n-m)条根轨迹终止于 无穷远处。ns Pi*由K* Jj 可知，起点对应 K 0,s Pi,终点K,s Zjr、ms Zj j 1法则2:根轨迹的分支数、对称性和连续性根轨迹的分支数=max(m,n),连续且对称于实轴。法则3：根

24、轨迹的渐近线。当 n m时，有(n m)条渐近线。nmPiZj渐近线与实轴交点L1 0n m渐近线与实轴夹角(2k 1) ,k 0,1,|n m 1n m111法则4:实轴上根轨迹。实轴上某一区域右侧开环实数零、极点个数之和 为奇数，则该区域必是根轨迹。例题讲解法则5:根轨迹的分离点和分离角。设分离点坐标为dn 1m 1i 1 (d Pi) j 1 (d Zj)例题讲解法则6:根轨迹的起始角和终止角。出射角 R :根轨迹离开开环复数极点的切线与正实轴的夹角入射角 Zi ：根轨迹进入开环复数零点的切线与正实轴的夹角 mnPi 180(jiji)j 1j 1nm04180jijij 1j 1例题讲

25、解法则7:根轨迹与虚轴的交点。利用劳思判据求解1 G(j )H(j ) 0,令实部为0,求虚部。例题讲解法则8:根之和。nnsiPi,n m 2i 1i 1三、小结：(约5min)1、根轨迹基本概念；2、绘制根轨迹的基本法则；四、作业：(约2min)P176 习题 4-4 (1) (3), 4- 5(1), 4-6 (3)授课学时：4学时章名称第四章第二节 广义根轨迹第四章第四节系统性能的分析备注教学目的 和要求1、掌握参数根轨迹和零度根轨迹的绘制方法；2、掌握主导极点和偶极子的概念。重点 难点重点：参数根轨迹和零度根轨迹的绘制。难点：非最小相位系统根轨迹的绘制。教学方法 教学手段1、教学方法

26、：课堂讲授法为主；用精讲的方法突出重点，用分析举例的 方法突破难点。2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。教学进程 设计(含教 学内容、教 学设计、时 间分配等)一、引入(约3min)从“常规根轨迹和广义根轨迹的/、同”引入新课。二、教学进程设计(一)参数根轨迹(约50min)以非开环参数增益为可变参数绘制的根轨迹称为参数根轨迹。将1 G(s)H (s) 0进行等效变换为1 A(-)- 0,则等效开环传递函数 N(s)为G(s)H1(s) A)，按照等效开环传递函数绘制根轨迹。N(s)例题讲解。(二)零度根轨迹(约50min)正反馈或者非最小相位系统中包含s最高次哥的系数为负的因子

27、。正反馈满足：1 G(s)H (s) 0,即根轨迹方程为 G(s)H (s) 1。mn(s Zj)(s pi) 2k相角条件j 1i 1ns PiK 七 模值条件s Zjj 1将180。根轨迹部分法则修改。法则3：渐近线与实轴夹角-k, k 0,1,|n m 1n m111法则4:实轴上根轨迹。实轴上某一区域右侧开环实数零、极点个数之和为奇偶数，则该区域必是根轨迹。法则6:根轨迹的起始角和终止角。出射角升：根轨迹离开开环复数极点的切线与正实轴的夹角入射角 Zi :根轨迹进入开环复数零点的切线与正实轴的夹角mnPijijij 1j 1nmzjijij 1j 1例题讲解。（三）非最小相位系统（约2

28、5min）在s右半平面有开环极点或零点的系统。例如：* *K （S 1）egK（1 S）G（s）H （s） G（ s） H （s）s（s 1）（s 2）s（s 1）（s 2）和180度根轨迹零度根轨迹（四）增加开环零、极点对根轨迹的影响（约30min）用举例分析方法说明增加开环零、极点对根轨迹的影响，结论：增加开环 零点有利于改善系统的稳定性。增加开环极点不利于系统的稳定性，一般不单独增加开环极点。（五）主导极点和偶极子（约20min）主导极点：距离虚轴最近且其附近无零点的极点，利用主导极点概念可以把高阶系统近似升-阶或二阶系统。偶极子：闭环零、极点相近很近，距离比它们各自的模值小一个数量级，

29、 这样的闭环零、极点称为偶极子。利用偶极子概念，可以增加零点，以抵 消对动态过程影想不利的极点。举例：利用主导极点概念估算高阶系统的性能。三、小结：（约5min）1、参数根轨迹的绘制；2、零度根轨迹的绘制；3、增加开环零、极点对根轨迹的影响四、作业：（约2min）P168 习题 4-14, 4-16五、本早小结（约15min）授课学时：6学时章1 名称第五章线性系统的频域分析法第一节引言第二节频率特性第土节 开环系统的典型环节分解和开环频率特性曲线的绘制备 注教学1、掌握频率特性基本概念；目的2、会绘制开环幅相特性曲线；和要3、会绘制开坏对数幅频特性曲线；求4、会由开环对数幅频特性曲线确定传递

30、函数。重重点：频率特性基本概念；开环幅相特性曲线；开环对数幅频特性曲线。点难点：绘制开环幅相特性曲线。难 点教学1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲的方法突出重点，用分析举例的方法突破难方法点。教学2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。手段一、引入(约3min )从“频率特性分析法的特点”引入新课。二、教学进程设计(一)弓 1言(约 7min )频率特性的特点：(1) 频率特性可以运用分析法和实验法获得。(2) 频率特性物理意义明确。(3) 控制系统的频率设计可以兼顾动态特性和噪声抑制。(4) 频域分析法既适用于线性定常系统，还可以推广应用于某些非线性系统。频率特性基本概念(约30

31、min)进程1、基本概念设计(含以RC网络为例，引出频率特性的定义： 在正弦信号作用下， 系统输出的稳态值称为教学频率响应。输出稳态分量的幅值与输入白幅值之比，称为幅频特性一一A();输出内容、教学稳态分量的相位与输入的相位之差称为相频特性一一()；二者合称为频率特性。设计、时间(j )(s) s j A( )ej ()分配笙、2、几何表示法等)(1)幅相频率特性曲线：以为自变量，将幅频和相频同时表7K在复平囿上。以RC网络为例绘制。(2)对数频率特性曲线：对数幅频特性曲线横坐标是，按照lg 分度，L( ) 20lg A(),单位是dB；对数相频特性曲线纵坐标是()。(三)幅相频率特性曲线的绘

32、制(约100min)1、典型环节幅相频率特性曲线名称和传递函数幅频特性相频特性幅相频率特性曲线比例环节KKh0JIK积分环节11L 一s90微分环节s90：ik一阶惯性11arctgTq3或gTs 1在T2 2一阶微分Ts 1,1 T2 2arctgTM1 .二*阶振汤2 n2 c2s2nsn1J1(一 )224 nn2 arctg-1()2nn=口支Ar1二阶微分2 一arctg-1 ()2n2 c2s 2 n s nJ1(一)224 1nnp2 n0I非最小相位系统的幅相特性曲线与非最小相位系统的幅相特性曲线关于实轴对称。2、开环幅相特性曲线的绘制将开环传递函数按照典型环节分解确定幅相曲线

33、的起点和终点 TOC o 1-5 h z 00，0 n m终点：A( )*( ) (n m)|90 (最小相位系统)K n m曲线与实轴交点：令虚部为0,求实部。曲线与虚轴交点：令实部为0,求虚部。名称和传递 函数对数幅频特性对数相频特性对数幅频特性曲线比例环节20lg K0H的I01 l f 10积分环 节20lg90：40 邠咳(2)微分环节20lg90：一阶惯 性(2) 一阶微 分20lg J1 T2 2arctgTd旧 1 L() 二20lgj1 T2 2arctgT二阶振 荡20lgJ1 (一)224 2 nn2arctg-1 (一)2ndB0,L()(2)二阶微分20lg、；1 (

34、)22 4 222 arctg-1 ()2n2、开环对数频率特性曲线的绘制例题讲解。(四)对数频率特性曲线1、典型环节对数频率特性曲线(约 100min)将开环传递函数写成尾 1型的典型环节。(2)绘制起始段：斜率为 20 dB/dec,通过L(1) 20lg K点。(3)从第一个交接频率开始，每经过一个交接频率，直线斜率变化一次。一阶惯性变化 20dB/dec, 一阶微分变化20dB/dec,二阶振荡变化 40dB/dec,二阶微 分变化40dB/dec。(4)对数幅相曲线的绘制，将各典型环节的相角相加，求出该点的相角，用描点法绘制。例题讲解。(五)延迟环节(约10min)157.3G(s)

35、 e s G(j ) e(六)传递函数的频域实验确定（约 30min）(1)由起始段确定 ，同时确定Ko(2)找到交接频率，由斜率变化确定典型环节。例题讲解。小结:（约 8min）1、频率特性基本概念2、幅相频率特性曲线的绘制3、开环对数频率特性曲线的绘制4、传递函数的频域实验确定作业:（约 2min）P215 习题 5-5, 5-6, 5-11, 5-12授课学时：3学时章名称第五章第四节频率域稳定判据备注教学目的 和要求1、掌握奈氏判据和对数稳定判据；2、会应用奈氏判据和对数稳定判据判定系统的稳定性。重点 难点重点：奈氏判据和对数稳定判据的应用。 难点：奈氏判据的数学基础。教学方法 教学手

36、段1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲的方法突出重点，用分析举例的 方法突破难点。2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。教学进程设 计(含教学 内容、教学 设计、时间 分配等)一、引入(约3min)从“时域稳定判据”引入新课。二、教学进程设计(一)奈氏判据的数学基础(约50min)1、幅角原理设一复变函数 F(s) K(S 4)(S Z2)J 1s Zm),当s沿s平面上C曲 (s Pl)(s P2)|(s Pn)线顺时针运动一周，在 F(s)平面上映射出一条闭合曲线F ,若c曲线包含F(s)的Z个零点和P个极点，则s沿C顺时针运动一周时，在F(s)平面上，F(s)闭合曲线 F包含

37、原点白圈数：R=P-Z ( R0,逆时针；R0, 顺时针)。2、F(s)与关系 G(s)H(s)F(s) 1 G(s)H(s) 1 Bs) A B(s) A(s)A(s)(s)1 G(s)H(s)F (s)的零点是闭环传递函数的极点，F(s)的极点是开环传递函数的极点。由G(s)H(s) F(s) 1可知，F(s)绕原点转过的圈数等于G(s)H(s)绕(1, j0)点的圈数。3、s平面上C曲线的选择G(s)H (s)在虚轴上无极点G(s)H (s)在虚轴上有极点4、G(s)H(s)闭合曲线 GH的绘制(1)若G(s)H (s)在虚轴上无极点，对应开环幅相曲线。(2)若G(s)H(s)有积分环节

38、，从开环幅相曲线0处，用虚线逆时针补画半径为无穷大、圆心角为90，,圆弧。(3 )若G(s)H(s)有 个重极点j n ,则从开环幅相曲线G(j n )H(j n )处，用虚线顺时针补画半径为无穷大、圆心角为180：圆弧。5、闭合曲线 GH包含(一1, J0)点的圈数R的计算R=2N , N 为曲线 gh穿越(一1, J0)点以左负实轴的次数。(二)奈氏判据(约47min)Z P R,若Z 0,闭环系统稳定；反之，闭环系统不稳定，闭环有Z 个右半平回极点。例题讲解。(三)对数频率稳定判据：(约43min)奈氏判据移植于对数频率坐标的结果。曲线 gh包围(1,j0)点 L( ) 0dB在的频段范

39、围内，对数相频特性曲线 与(2k 1)线的交点。1、 确定(1)若G(s)H(s)在虚轴上无极点，对应 ()曲线。(2)若G(s)H(s)有积分环节，从 ()曲线 较小且L( ) 0dB处，向上补作90%虚线。(3)若G(s)H(s)有 个重极点j n,则从(n)处向卜补作180。虚线到(n )处。2、对数频率稳定判据Z P R P 2NN N N若Z 0,闭环系统稳定；反之，闭环系统不稳定，闭环有Z个右半半囿极点。在L( ) 0范围的 频段中，由下向上穿越(2k 1)线为正穿越；由上向卜穿越(2k 1)线为负穿越。例题讲解。三、小结：(约5min)1、奈氏判据；2、对数频率稳定判据；3、奈氏

40、判据和对数频率稳定判据的应用。四、作业：(约2min)P217 习题 5-14, 5-16, 5-18, 5-21授课学时：3学时章节名称第五章第五节稳定裕度第五章第六节闭环频域性能指标备注教学目的和1、会计算稳定裕度；要求2、掌握闭环频率特性和性能指标；3、掌握频域指标与时域指标的关系；重点重点：稳定裕度；闭环频率特性和性能指标；频域指标与时域指标的关系。难点难点：稳定裕度的计算。教学方法1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲的方法突出重点，用分析举例的方法突破难点。教学手段2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。一、引入（约3min）从“系统的相对稳定性”引入新课。三、教学进程设计

41、（一）稳定裕度（约57min）GH相对于（1,j0）点的位置，反映系统的相对稳定性，即稳定裕度。1、相角裕度A( c) 1 ,即 L( c) 0dB , c 截止频率。相角裕度180GH(j c) 180( c)2、幅值裕度(x)180 , x 穿越频率。教学进程设幅侑裕卢 h1计（含教学w田 ijeLto h nA( x)内容、教学设计、时间对数坐标下，h 20lg A（ x）分配等）例题讲解。（二）闭环频率特性和性能指标（约20min）闭环频率特性：（j ）（s）|s j M（ ）ej （）1、谐振峰值M：闭环幅频特性最大值。出现谐振峰值时的频率称为谐振频率r。MJ 1一 一，、M roV

42、O一一 一一一阶系统2 J12 0丫2。可见Mr ,意味小，系统平稳 2rnW 2 2性差。2、频带宽度和带宽频率闭环对数幅频特性下降到频率为0时得分贝值以下3dB时，对应得频率称为带宽频率b。20lg | (j b)| 20lg | (j0)| 3dB 或 | (j b)| 里 | (j0)|。 20 B间的频率段称频带宽度，简称带宽。它表明对高于带宽频率得输入信号，系统输出将出现较大的衰减。一、1一阶系统：b -,Tb响应速度快。二阶系统：bnjl 2 2 J(1 2 2)2 1, b与n成正比，与成反比。b大，n大，响应速度快。(一)闭环频域指标与开环频域指标之间的关系(约30min)闭

43、环频域指标： M r 平稳性，b 响应速度。开环频域指标：平稳性，c响应速度。1、 b和c之间关系：Jj(4 4 1 2 2，2,若例个系统稳定程度相同，b大，cb，1 22g 2 2)2 1大。2、Mr和之间关系：Mr sin(三) 频域指标与时域指标的关系(约20min)1、二阶系统一，1旗谐振山1值Mr 0-2国22谐振频率rnJ12 2J带宽频率bn V12 2j(12 2)21:f截止频率 cnW(4 4 1 2 2一、2相角裕度arctg r-乩 4 122幅值裕度h例题讲解。2、高阶系统“K0.16 0.4（Mr 1）（3590，）,ts cK 2 1.5（Mr 1） 2.5（M

44、r 1）2（35：90）三、小结：（约5min）1、计算稳定裕度；2、闭环频域性能指标；3、频域指标与时域指标的关系。四、作业：（约2min）P218 习题 5-21 , 5-22授课学时：4学时章名称第八章第六章第一节 系统的设计与校正问题第二节 串联校正备注教学目的 和要求1、掌握基本校正方式；2、掌握PID控制规律；3、掌握超前、滞后和滞后-超前网络的特性；4、掌握串联超前、滞后和滞后-超前校正步骤。重点 难点重点：校正方式；PID控制规律；超前、滞后和滞后超前网络的特性； 串联超前、滞后和滞后-超前校正步骤。难点：超前、滞后和滞后一超前网络的特性。教学方法 教学手段1、教学方法：课堂讲

45、授法为主；用精讲的方法突出重点，用分析举例的 方法突破难点。2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。教学进程 设计（含教 学内容、教 学设计、时 间分配等）一、引入（约3min）从“为什么要进行校正”引入新课。二、教学进程设计（一）性能指标（约20min）1、时域性能指标%,ts,ess为闭环系统时域性能指标，直接表示闭环系统的稳、准、快。若给出时域性能指标，一般采用根轨迹法校正。2、频域性能指标闭环频域指标：M r 平稳性，b 响应速度。开环频域指标：平稳性，c响应速度。若给出频域性能指标，一般采用频率法校正。（二）带宽的确定（约5min）b的选择要兼顾跟踪输入信号的能力和抗干扰的

46、能力。若输入信号的带宽为0 M ,扰动信号带宽为1 2，则b （510） M ,且使1 2置，巾JAL b之外。（二） 校正方式（约15min）1、串联校正vl串联控制被控C校正,器一对象一2、反馈校正3、前馈校正4、(约 20min)G(s) Kp(1TdS)（四）基本控制规律1、比例控制规律G(s) Kp, Kp e2、比例微分控制规律改善系统的稳定性和动态性能。增加一个开环零点，增加系统的阻尼程度, 3、比例积分控制规律G(s) Kp(1Ts)积分作用用于消除稳态误差。4、PID控制规律G(s) Kp(1TiSTdS)例题讲解。(约 80min)（五）串联超前校正1、超前网络RC超前网络

47、如图所示传递函数对数频率特性如图示（不考虑1/a的衰减）()tg 1aTtg ()aTtg T1T1 aT2令 dtg m V d1 ，一一产（正好位于 T、.aaT1_,两转折频率正中间）TGc(s)1aTs1Ts1aTRr2c其中：Ri RiR2R21aR2Lc( m) 10lg a提高相角裕度。串联超前校正利用超前网络的相角超前特性, 2、串联超前校正步骤(1)由 essK(2)计算未校正(3)*1由 L( c ) 10lg a a, T 一j= m a（4）验算校正后各项指标是否满足要求。3、例题讲解。（六）串联滞后校正1、无源滞后网络RC滞后网络如图示：可以导出:Gc(s)(R1其中

48、：b=R1bTs 1Ts 1 R2)CR2 R对数频率特性如图示:DT3L()图上的特征点计算可得T bT 、bT1 b arc1 b要利用该网络的高频幅值衰减作用,造成的下降的影响。为达此目的，总选择尽量避免由于其相角滞后1 、一2远小于 c。通常取12 bT*0.1 cc2、串联滞后校正步骤(1)由 essK(2)计算未校正cc(3)* * 由计算或作图得到*由 L( c ) 20lg b b(4)验算校正后各项指标是否满足要求。3、例题讲解（七）串联滞后一超前校正1、无源滞后一超前校正网络滞后一超前校正网络可视为单组滞后和超前网络的串联，也可视为一个整体，如图所示。0 - i频段：相当于

49、滞后部分。i - 频段：相当于超前部分。用滞后一超前网络进行校正，实质上是综合利用滞后校正的幅值衰减，和超前校正的相角超前特性，对开环系统的频率特性进行改造。2、串联滞后一超前校正步骤(1)由 essK(2)计算未校正,、c(3)在待校正对数幅频特性，选择从 20dB/dec变为40dB/dec的交接,，1频率作为。Ti,、 、“。*1(4)由响应速度要求，选择c和一1(5)由相角裕度要求，取 (0.1 - 0.25) c T2(6)验算校正后各项指标是否满足要求。3、例题讲解三、小结：(约5min)1、校正方式；2、PID控制规律；3、超前、滞后和滞后一超前网络的特性；4、串联超前、滞后和滞

50、后-超前校正步骤。四、作业：(约2min)P266 习题 6-3, 6-4, 6-5授课学时：2学时京IJ名称第六章第三节反馈校正备注教学目的 和要求1、掌握反馈校正的原理，2、理解反馈校正的特点。3、掌握综合法反馈校正设计。重点 难点重点：反馈校正的原理；综合法反馈校正设计。 难点：综合法反馈校正设计。教学方法 教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲的方法突出重点，用分析举例的 方法突破难点。2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。教学进程 设计(含教 学内容、教 学设计、时 间分配等)一、引入(约3min)从“比较反馈校正和串联校正各自特点”引入新课。二、教学进程设计(一)

51、反馈校正原理与特点(约30min)1、原理：G2(s)G(s) Gi (s)1 G2(s)Gc(s)若对系统主要动态范围内 G2(j )Gc(j )1, G(j ) G1(j )Gc(j )若G2(j )Gc(j )1,则G(j ) G1(j )G2(j )。这表明反馈校正特性与未校正系统的特性是一样的。为此，适当选择反馈校正装置的结构和参数可以达到使校正后的系统具有所期望的频率特性。2、特点：(1)削弱反馈回路内的非线性的影响。(2)减少系统的时间常数。(3)降低系统对参数变化的灵敏度。(4)抑制系统噪声。(二)测速-相角超前网络反馈校正(约20min )单纯的速度(微分)反馈校止存在降低系

52、统增益的问题。 改进的方法：速度(微分)反馈+超前校正网络，提高系统响应速度，不会降低系统增益。 设计举例(三)综合法反馈校正(约40min)1、设计步骤：(1)按稳态性能指标要求，绘制未校正系统的开环对数幅频特性L0( ) 20lg G0(j )|。(2 )由给定性能指标要求，绘制期望开环对数幅频特性 L( ) 20lg|G(j )|。(3)求内回路的开环传递函数201g 检(j )Gc(j )| Lo( ) L( ) ,Lo( ) L( ) 0(4)检验内回路的稳定性，校验期望开环截止频率附近下列条件G2(j )Gc(j )|(dB) 0(5)由 Gz(s)Gc(s)求 Gc(s)(6)检

53、验校正后系统的性能指标(7)考虑Gc(s)的工程实现。2、例题讲解三、小结：(约5min)1、反馈校正原理与特点；2、综合法反馈校正设计步骤；四、作业：(约2min)P268 习题 6-11章节名称教学目的和要求重点难点教学方法教学手段教学进程 设计(含教 学内容、教 学设计、时 间分配等)第六章第四节 复合校正1、掌握复合校正的原理和方法。授课学时：2学时备注重点：复合校正的原理。难点：按输入补偿的复合校正。1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲的方法突出重点，用分析举例的 方法突破难点。2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。一、引入从“串联校正和反馈校正的局限性”引入新课。二、教

54、学进程设计(一)复合校正的概念：前馈校正和反馈校正的结合。(二)按扰动补偿的复合校正1、基本原理so*扰动作用下误差为:E(s) C(s)若选择Gn (s)必有E(s) 0,(约 3min)(约 7min)(约 30min)G2(s)1 G(s)Gn(s)1 Gi(s)G2(s)N(s)Gi(s)实现对扰动的误差全补偿。2、例题讲解(二)按输入补偿的复合校正1、基本原理(约 30min)输出传递函数若选择Gr(s)C0C(s) ” 1G黑*G(s)则C(s) R(s),表明输出量可以完全复现输入信号。2、例题讲解三、小结：（约5min）1、按扰动补偿的复合校正；2、按输入补偿的复合校正。四、作

55、业：（约2min）P268 习题 6-14五、本早复习（约23min）授课学时：3学时第七章第T离散系统的基本概念京IJ名称第七章第二节信号的采样与保持备注第七章第二节Z变换理论教学目的 和要求1、掌握离散系统的相关基本概念，特别是米样过程和米样定理、 和z反变换及其性质等概念。2、掌握z变换方法和z反变换方法。z变换重点重点：采样过程和采样定理；z变换和z反变换及其性质。难点难点：采样过程和采样定理。教学方法1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲的方法突出重点，用分析举例的方法突破难点。教学手段2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。一、引入（约3min）从“离散系统的发展”引入新课

56、。二、教学进程设计（一） 离散系统基本概忿和分类（约30min）1、基本概念：控制系统F-个或若干个部件的输出信号是一串脉冲形式或是数字（数码），由于信号在时间上是离散的这类系统称为离散系统。2、分类：（1）米样控制系统：离散信号是脉冲序列（时间上离散），举例。信号采样和复现采样系统的典型结构图（2）数字控制系统：离散信号是数字序列（时间上离散、幅值上整量化），举例A/D转换：把连续的模拟信号转换为时间上离散的、幅值上整量教子进在化的数字信号（二进制的整数），实际上具有对信号在时间点上采坟叮（B秋样，对信号幅值进行编码。子内伶、双D/A转换：把离散的数字信号转换为连续模拟信号。解码，把离学设计

57、、时间分配等）散的二进制数字信号转换为离散的模拟信号；模拟信号复现，通过“保持器”将离散模拟信号复现为连续的模拟信号，该信号才能真正驱动模拟放大器等。数字控制系统的典型结构图。（二）彳百号的米样与保持（约20min）1、采样过程：连续信号一一米样器一一离散信号2、理想采样过程的数学描述： * -一e(t) e(t) T(t) , T(t)(t nT)n 0 *e (t) e(t) T(t) e(t) (t nT)e(nT) (t nT)n 0n 03、米样信号的 Laplace变换 * *E (s) Le (t) L e(nT) (t nT) n 0e(nT)L (t nT)e(nT)e nT

58、sn 0n 04、例题讲解(三)香农采样定理和采样周期(约10min)香农采样定理：一一信号完全复现的必要条件h : e中所含各谐波分量中的最大s 2 h或 T 2hs：米样角频率s ss T采样周期满足以下条件：T (s) h(四)信号保持(约30min)1、零阶保持器(ZOH ):ZOH单位脉冲响应k(t) 1(t) 1(t)Gh(s) Z1(t) 1(t) 1 1eTs -es ssZOH的频率特性：G、1 ejT 7 27Tsin(2) j2Gh (j )TejT. 2；T sGh(j ) j，EeJ 幅频&性1厂理想源波霖幅撅将嗤r q4 gl1K.用指甫女称相的特忖零阶保持器的频率

59、特性2、零阶保持器的特性：(1)低通特性(2)相角滞后特性(五)Z变换理论(约50min)1、Z变换的定义*米样信3：e (t) e(nT) (t nT) n 0z esTZ 变换的定义为 E(z) Ze (t) Le(t)esTz e(nT) e e z n 0nE(z) Ze (t) e(nT) z n Z E(s) Z e(t) ZE (s) n 02、Z变换的方法(1)级数求和法(举例)(2)部分分式法(举例)3、Z变换性质 一 * *(1)线性性质:Zae (t) be2 (t) aE1(z) bE2(z)(2)实数位移定理滞后定理：Ze(t nT) z nE(z) z 1 e sT

60、 延迟算子n 1超前定理：Ze(t nT) znE(z)e(kT )z k(举例)k 0(3)复数位移定理：Ze(t) e-atE(z eaT)(举例)z 1(4)终值te理：lim e(nT) limE(z)(举例)nz 1 z(5)卷积te理：设 u (t) e (t) g (t) e(kT) g(n k)T k 0则 U(z) E(z) G(z)Z域微分定理：Zt e(t) zT且E(z) dz4、Z反变换（1）部分分式法（举例）（2）哥级数法（举例）（3）反演积分法（举例）三、小结：（约5min）1、离散系统基本概念和分类；3、信号的采样与保持；4、香农采样定理和采样周期；5、信号保持