自动控制原理 第3版 教案全套 陶洪峰 第1-8章 绪论、控制系统数的学模型-离散控制系统

《自动控制原理》课程教 案任课教师 所在学院 开课学期：二O二OO二一第(2)学期课程基本信息课程名称自动控制原理学分：4.0课程学时理论学时：60实验学时：8 上机学时： 实践学时：开课单位物联网工程学院适用专业自动化，电气工程及其自动化课程类别通识教育课程通识必修（；通识选修（）学科平台课程学科基础（；集中性实践（）专业教育课程专业核心（；专业选修（；集中性实践（）能力拓展课程专业自主课程（；创新实践环节（）课程目标1.能够分析控制系统的基本组成，阐述其工作原理、控制方式，能够利用牛顿定律、基尔霍夫定律和拉普拉斯变换等方法，对线性系统以及典型非线性环节进行建模和特性分析，并熟练掌握将多个关键环节综合成信号流图、结构图和传递函数等数学模型的方法，掌握数学模型（1、2章,2-2）2.能够利用时域法分析一阶、二阶和高阶线性定常系统的动态性能和稳（33-1）3.理解根轨迹的定义，能够根据根轨迹的绘制基本规则画出系统的常规（44.能够利用频域分析法分析系统的稳定性，计算稳态性能指标，分析系（对应第5章，支撑毕业要求3-1,3-4）5.能够针对系统的不同性能指标要求，选择合适的串联、反馈和复合校正设计方案和控制器结构，并能够进行校正设计方案的分析和比较。（对应第6章，实验二、三,支撑毕业要求指标点2-4、3-2、5-2）6.能够利用描述函数法和相平面法分析典型非线性系统的稳定性，分析非线性系统中的自激振荡现象，判断系统的结构和参数变化对非线性（73-1）7.Matlab仿真软件，进行控制系统的动态性能、稳态性能分析和控制系统的校正分析，明确与实际控制系统的区别和联系，为实（234567章和仿真实训,6-3）教学方法（（（（（）考核方式考试（）考查（）百分制（；五级制（；二级制（）课程资源教材：潘丰，徐颖秦.自动控制原理[M].北京：机械工业出版社，2015.参考书目：胡寿松.自动控制原理（第六版）[M].:科学出版社，2013.邹伯敏.自动控制理论(3版)[M].北京:机械工业出版社，2008.[美]KatsuhikoOgataModernControlEngineering(FourthEdition)[M].北京：电子工业出版社,2007.课外导读材料：控制科学家之钱学森；控制论之父诺伯特·维纳（obtin；工业大数据时代的建模技术与艺术；科学家麦克斯韦；Evans；BodeNyquist；PID的通俗故事；控制科学家之顾毓琇；领袖数学家亨利.庞加莱（JulsniPoin说明：表中()选项请打“√”，其中，教学方法可以多选，其它仅单选。第1章绪论1.本章简介本章主要学习自动控制的基本原理、自动控制系统的基本组成、基本要求和分类方法和本课程的主要任务。2.基本要求正确理解自动控制的基本概念、任务和控制方式；掌握负反馈的概念，能对开环控制和闭环控制过程进行简单分析；掌握闭环控制系统的基本组成和各环节的作用；正确理解自动控制系统的基本要求；掌握控制系统的各种分类方法。3.教学方法小班上课，线上线下混合式教学线下：课堂精讲+讨论线上：中国大学MOOC网4.核心知识点1）（90分钟：课堂精讲讨论①（）②自动控制系统的类型③控制系统性能的基本要求和本课程主要任务讨论：自动控制系统举例、工作原理和特点2）线上（45分钟MC网①②完成第1章测试题。③思政导读：钱学森、维纳等科学家对本学科的贡献。5.重点难点重点：自动控制系统的基本组成、基本要求和各种分类方法。难点：自动控制的基本原理和负反馈的基本概念。6.本章小结1）自动控制是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象自动地按照要求的运动规律变化的系统。2）3种：开环控制、闭环控制和复合控制。闭环控制也称反馈控制，它的基本原理是利用偏差，纠正偏差。3个字：稳、快、准。7.下章提示在掌握本章基本知识的基础上，下章主要学习控制系统的数学模型，包括建模方法、传递函数的基本概念、典型环节及控制系统传递函数，控制系统结构图、信号流图及等效计算等。8.本章作业课后作业：教材习题1-4、1-8。线上作业：第1章测试题第2章控制系统数的学模型1.本章简介本章主要学习控制系统的建模方法、传递函数的基本概念、典型环节及控制系统传递函数，控制系统结构图、信号流图及等效计算等。2.基本要求1)正确理解数学模型的基本概念，掌握建立动态微分方程的一般方法；2)掌握传递函数的定义、性质和意义，以及开环传递函数、闭环传递函数的概念；了解几种典型环节的传递函数及性质；掌握系统结构图和信号流图两种数学模型图形表示的定义和组成方法，并会用等效变换法则进行结构图的简化，熟练使用梅森公式求系统传递函数。3.教学方法小班上课，线上线下混合式教学线下：精讲和讨论（课堂）+课外实训（机房）+实验（实验室）MOOC网4.核心知识点1)线下（360分钟：课堂精讲+讨论①线性控制系统时域数学模型--微分方程②非线性数学模型的线性化讨论1：不同类型系统数学模型的相似性③线性控制系统时域数学模型--传递函数（传递函数的概念、性质、典型环节传递函数）④控制系统的结构图（结构图的绘制、等效变换和简化）⑤（讨论2；完成第2章课后作业题；2）课外实训（90分钟：机房利用MATLAB工具建立控制系统的各类模型；3）线上（90分钟：中国大学OOC网①控制系统的数学模型；传递函数的基本概念和性质；控制系统的结构图及绘制；结构图的等效变化和简化。②控制系统的传递函数；信号流图和梅森公式公式。③完成第2章测试题和第1次线上作业。4）实验（90分钟：实验室实验一、典型环节模拟研究5.重点难点重点：传递函数的基本概念，控制系统结构图和信号流图及等效变换法和简化计算。6.本章小结1）系统的数学模型是描述其动态特性的数学表达式，它是对系2）3）传递函数是系统的复数域模型，它等于在零初始条件下，系统输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比。它和微分方程一样反映系统的固有特性，传递函数只与系统结构和元件参数有关，与外施信号的大小和形式无关。4）结构图是传递函数的图形化，它能够直观地表示信号的传递关系。对结构图进行等效变换时，要保持被变换部分的输入量和输出量之间的数学关系不变。5）信号流图是另外一种用图形表示系统信号流向和关系的数学模型，基于系统的信号流图，通过运用梅森公式能够简便、快捷地求出系统的传递函数。7.下章提示在掌握本章基本知识的基础上，下章主要学习控制系统的时域分析法，包括控制系统的稳定条件和判据、动态指标及计算、稳态误差及计算等。8.本章作业课后作业：教材习题2-6、2-8、2-9、2-10、2-11c)、2-12。仿真作业：实践与拓展题2-14、2-15。线上作业：第2章测试题和第1次线上作业。第3章控制系统数的时域分析法1.本章简介2.基本要求53.教学方法小班上课，线上线下混合式教学线下：精讲和讨论（课堂）+课外实训（机房）+实验（实验室）MOOC网4.核心知识点1）线下（360分钟：课堂精讲讨论①控制系统时域响应及去其性能指标；一阶系统时域响应（数学模型、阶跃响应、性能指标；1：一阶系统的建模。二阶系统的时域响应（数学模型、阶跃响应、性能指标；④高阶系统的时域响应（闭环主导极点。2：参数变化对系统动态性能的影响⑤（⑥（。讨论3：参数变化对系统稳定性和稳态性能的影响。2）课外实训（90分钟：机房利用MATLAB工具分析控制系统的动态和稳态时域性能。3）线上（90分钟：中国大学OOC网1：系统的时域响应与性能指标；一阶系统的时域响知识点2：线性定常系统的稳定性与劳斯判据知识点3：控制系统稳态误差的计算；控制系统稳态误差的消除。4）实验（90分钟：实验室实验二、二阶系统和高阶系统的瞬态响应和稳定性分析。5.重点难点难点：控制系统的动、稳态性能指标及其计算。6.本章小结1）时域分析是通过直接求解系统在典型输入信号作用下的时域响应来分析系统性能的。通常是以系统阶跃响应的超调量、调节时间和稳态误差等性能指标来评价系统性能的优劣。2）二阶系统在欠阻尼时的响应虽有振荡，但只要阻尼比取值适当（如0.4~0.8过程的平稳性，因此在控制系统中常把二阶系统设计为欠阻尼。3）如果高阶系统中有一对闭环主导极点，则该系统的瞬态响应就可以近似地用这对主导极点所描述的二阶系统来表征。4）稳定是系统能正常工作的首要条件。线性定常系统的稳定性是系统固有特性，它取决于系统的结构和参数，与外施信号的形式和大小无关。劳斯稳定性判据是一种不用求根的代数判据。稳定判据只回答特征方程式的根在S平面上的分布情况，而不能确定根的具体数值。5）稳态误差是系统控制精度的度量，也是系统的一个重要性能指标。系统的稳态误差即与其结构和参数有关，也与控制信号的形式、大小和作用点有关。7.下章提示8.本章作业课后作业：教材习题3-6、3-7、3-14、3-18。仿真作业：实践与拓展题3-20、3-21。线上作业：第3章测试题和第2次线上作业。第4章控制系统数的根轨迹分析法1.本章简介等。2.基本要求1）理解根轨迹的基本概念；2）掌握根轨迹方程及幅值条件与相角条件的应用；3）重点掌握常规根轨迹及其基本绘制规则；4）掌握参数根轨迹、零度根轨迹及其基本绘制规则；5）重点掌握应用根轨迹分析参数变化对系统性能的影响。3.教学方法小班上课，线上线下混合式教学线下：精讲和讨论（课堂）+课外实训（机房）+实验（实验室）MOOC网4.核心知识点1）线下（270分钟：课堂精讲+讨论①（；②根轨迹绘制的基本规则；③广义根轨迹（参量根轨迹、零度根轨迹；④控制系统根轨迹分析法（稳定性分析、动态性能分析。讨论：增加零极点对系统根轨迹图及系统性能的影响。2）课外实训（90分钟：机房利用MATLAB工具绘制控制系统的根轨迹并分析根对系统性能的影响。3）线上（90分钟：中国大学OOC网1：根轨迹的基本概念，根轨迹绘制的基本规则；2：广义根轨迹；根轨迹分析系统性能；增加零极点对系统根轨迹图及系统性能的影响。导读：根轨迹方法提出者W.R.Evans4）实验（90分钟：实验室实验二、二阶系统和高阶系统的瞬态响应和稳定性分析。5.重点难点难点：利用根轨迹图分析系统性能。6.本章小结1）根轨迹是指当系统开环传递函数中的某个参数（通常为开环根轨迹增益）由零变化到无穷时，闭环系统特征方程式的根在s平面上的运动轨迹。通常可利用基本规则来画根轨迹。2）借助根轨迹图可以比较简单、直观地分析参数的变化对系统性能的影响，诸如稳态性能、动态性能等，而且还可利用开3）根据确定的闭环极点和已知的闭环零点，还能给出系统的输出响应和相应的系统性能指标值，这在一定程度上避免了求解高阶微分方程的麻烦。7.下章提示8.本章作业课后作业：教材习题4-5、4-7、4-11、4-12、4-13。仿真作业：实践与拓展题4-17、4-20。线上作业：完成第4章测试题和第3次线上作业。第5章控制系统数的频域分析法1.本章简介本章主要学习控制系统的频域分析法，包括频率特性的基本概念、典型环节和开环系统频率特性图的绘制，奈氏图和伯德图的应用等。2.基本要求1）正确理解控制系统频率特性的基本概念，掌握频率特性的图形表示方法。2）重点掌握典型环节的频率特性及其特征。3）熟练掌握控制系统开环奈奎斯特图和Bode图的绘制方法。4）重点掌握奈奎斯特稳定判据、频域性能指标的定义和计算。5）掌握系统开环对数频率特性与系统性能之间的关系，正确理解“三频段”的概念。6）掌握由最小相位系统的开环对数幅频特性曲线确定系统开环传递函数的方法。3.教学方法小班上课，线上线下混合式教学线下：精讲和讨论（课堂）+课外实训（机房）+实验（实验室）MOOC网4.核心知识点1）线下（540分钟：课堂精讲讨论①频率特性（基本概念，表示方法；②（典型环节的奈氏图、Bode图③控制系统的开环频率特性（最小相位系统和非最小相位系统、延迟系统、传递函数的试验法确定；讨论1：Bode图与系统性能的关系。④奈奎斯特稳定判据；⑤稳定裕量；⑥频率特性与系统性能的关系。讨论2：系统相对稳定性的影响因素。2）课外实训（90分钟：机房利用MATLAB工具绘制控制系统的Bode图并分析性能；。3）线上（135分钟：中国大学OOC网知识点1：频率特性的基本概念；频率特性的计算与图示；典型环节的频率特性；知识点3：奈氏稳定判据；稳定裕量的定义、表示与计算；频率特性与系统性能的关系导读：贝尔实验室的工程师科学家Bode和Nyquist。5.重点难点重点：频率特性的基本概念，奈氏图和Bode图的绘制，奈氏判据的应用，相位裕量和增益裕量的计算，Bode图和系统性能的关系。难点：奈氏稳定判据的理解、对数频率特性图的绘制以及相位裕量的计算。6.本章小结1）频域分析法是以正弦信号角频率为自变量，利用频率特性曲线分析系统性能的方法。频率特性是线性定常系统在正弦输入信号作用下的稳态输出与输入之比。频率特性取决于系统本身的结构与参数，它表示了系统的固有特性，可以通过传递函数直接求取。所以，频率特性和传递函数、微分方程一样，是描述系统运动规律的又一种数学模型。2）频率特性曲线主要包括幅相频率特性曲线和对数频率特性曲线。幅相频率特性曲线又称幅相曲线或奈氏曲线；对数频率特性曲线包括对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线。频域分析法的两个重要特点，一是根据系统的开环频率特性分析Bode图，进而得到系统的传递函数。3）开环传递函数中不包含s平面右半面零点和极点的系统称为最小相位系统。由典型环节组成的系统都是最小相位系统。这类系统的对数幅频特性和对数相频特性一一对应，因而只要根据其对数幅频特性曲线就能确定系统的开环传递函数和相应的性能。4）本章的难点之一是奈氏判据。奈氏稳定判据是根据开环奈氏曲线包围j0)Ns平面右半面的极点数P来判别对应闭环系统的稳定性。而系统的相对稳定性则用相位裕量和增益裕量两个指标来衡量。5）开环对数幅频特性中“三频段”的概念对系统的分析和设计都很重要。一个既有较好的动态响应，又有较高的稳态精度，既有理想的跟踪能力，又有满意的抗干扰能力的控制系统，γωcMrωb反映了系统的动σ%ts之间有一定的对应关系。γMrσ%ωc、ωb和ts相对应，反映了系统的动态快速性。7.下章提示PID及复合校正的基本原理等。8.本章作业5-13(3)5-15(1)(2)(4)5-17(b)(e)(g)5-24，5-26，5-29，5-31，5-32。仿真作业：实践与拓展题5-35、5-37。线上作业：完成第5章测试题和第4次线上作业。第6章控制系统的校正1.本章简介本章主要学习控制系统的校正，包括系统校正的基本概念、三种基本串联校正的基本原理及应用、期望频率特性法校正设计及PID控制器、反馈校正及复合校正的基本原理等。2.基本要求1）正确理解控制系统校正的基本含义。2）熟练掌握系统校正的基本要求、常用的性能指标及其计算。3）熟练掌握常用的3种校正装置及其特点。4）重点掌握利用开环对数幅频特性曲线进行串联校正常用的基本方法。4）理解利用开环对数幅频特性曲线进行综合法校正的原理及特点。6）掌握PID控制的特点及工程校正的设计原理及方法。7）正确理解反馈校正的原理及特点。8）正确理解复合校正的原理及特点。3.教学方法小班上课，线上线下混合式教学线下：精讲和讨论（课堂）+课外实训（机房）+实验（实验室）MOOC网4.核心知识点1）线下（360分钟：课堂精讲讨论①校正的基本概念和方法（校正概念、常用方法及特点、校正系统性能指标；②串联超前校正（原理、特点、设计步骤；③串联滞后校正（原理、特点、设计步骤；④串联滞后超前校正（原理、特点、设计步骤；⑤PID控制器；⑥期望特性法校正；⑦反馈校正；⑧复合校正。讨论：工程法校正的应用举例2）课外实训（90分钟：机房利用MATLAB工具对控制系统进行串联校正设计并进行校正前后系统性能分析。3）线上（135分钟：中国大学OOC网/滞后校正原理；串联超前/滞后校正设计。知识点2：串联滞后-超前校正、期望频率特性法校正。知识点3：PID控制器、反馈校正、复合校正导读：PID的通俗故事。4）实验（180分钟：实验室实验三、线性定常系统的几种常用串联校正设计方法；实验四、控制系统的综合性设计。5.重点难点重点：系统校正的基本概念，常用的性能指标及要求，3种校正装置及其特点，三种串联校正的基本原理及设计方法，PID控制器及应用，反馈校正和复合校正的基本原理。难点：校正的基本原理及应用，串联校正装置的设计方法。6.本章小结PID“先稳态后动态”的顺序完成对校Bode图，然后考虑满足动态性能的补偿问题。1）串联校正-超前校正三种形式，它们都是根据系统提出的稳态和动态频域或时域性能指标要求，环对数频率特性形状，使校正后系统频率特性的低、中、高3个频段都能满足指标要求。超前校正一般设置在原系统中频段，用于改善系统动态性能；滞后校正一般设置在系统低频段，用于改善系统稳态性能，也可以用来提高系统的相对稳定性，但要以牺牲快速性为代价；滞后-超前校正一般设置在系统低、中频段，用于改善系统的综2）PID控制现代控制系统中，大多是利用对系统误差信号的比例（P积分（I）和微分（D）PID控制。在PID制指标的不同要求，再分别引入积分控制或微分控制，因而有PI控制、PDPID控制。PID控制和串联校正有着内在联系，PI控制是一种滞后校正，PD控制是一种超前校正，PID控制是一种滞后-PID控制器参数调节范围大，在生产过程控制中得到广发应用。3）期望特性法校正据是闭环系统性能指标与开环对数频率特性之间确定的对应关4）反馈校正5）复合校正Simulink进行系统校正，可以增强对系统（1）校正装置的选择不是唯一的。本章介绍了几种常用的（2）校正装置的设计方法与步骤不是唯一的。可以根据需-超前校正装置的设计中，可以先确定超前部（3）“试凑”7.下章提示在掌握本章基本知识的基础上，下章主要学习非线性系统分析方法，包括典型的非线性特性，描述函数法和相平面分析法。8.本章作业课后作业：教材习题6-8、6-10、6-11。仿真作业：实践与拓展题6-21、6-23、6-24。线上作业：完成第6章测试题和第5次线上作业。第7章非线性系统分析1.本章简介本章主要学习非线性系统的分析方法，包括典型的非线性特性，描述函数法和相平面分析法等。2.基本要求1）掌握非线性系统的定义。2）熟悉几类常见的非线性特性及一般非线性系统的基本特征。3）4）重点掌握用描述函数法判别非线性系统的稳定性和自激振荡的分析与计算。5）掌握相平面法、奇点和奇线的基本概念。6）了解相轨迹图的绘制法则及用相平面法分析非线性系统。7）掌握MATLAB在非线性系统分析中的应用。3.教学方法小班上课，线上线下混合式教学线下：精讲和讨论（课堂）+课外实训（机房）+实验（实验室）MOOC网4.核心知识点1）线下（360分钟：课堂精讲讨论①引言；②典型非线性特性；③（；讨论：典型非线性特性及其应用④相平面法（利用相平面法分析非线性系统）2）课外实训（90分钟：机房利用MATLAB工具绘制非线性系统的相平面图并分析自激振荡现象。3）线上（135分钟：中国大学OOC网知识点1：非线性系统定义与特征；典型非线性特性分析；描述函数的定义与求法。知识点2：组合非线性特性的描述函数计算；描述函数法分析非线性系统稳定性。知识点3：相平面法的基本概念和绘制方法；奇点和奇线；相平面法分析非线性系统。导读：控制领域科学家顾毓琇先生在科学技术上的创新开拓，领袖数学家亨利·庞加莱。4）实验（180分钟：实验室实验五、继电型非线性系统的性能分析。5.重点难点重点：典型非线性特性分析、描述函数的定义与求法、描述函数法分析非线性系统稳定性。难点：相平面法的基本概念和绘制方法；奇点和奇线的概念。6.本章小结1）非线性系统与线性系统的本质差别在于是否满足叠加原理。非线性系统有许多线性系统所没有的特点，自激振荡就是其中的一种。这是一种稳定的周期运动，即使受到一定范围内扰动的影响，振荡也能够维持。研究自激振荡，是非线性系统理论的一个重要内容。2）本章介绍了非线性系统的三种分析方法：描述函数法、相平面法以及基于Simulink的系统分析。3描述函数法是分析非线性系统稳定性和自激振荡的常用方法，但由于没有考虑外作用的影响，不能用来求解系统的响应。它适用于非线性程度较低，线性部分低通滤波特性较好的系统。在应用时应注意其限制条件，否则，可能得到错误的结论。4）相平面法内容包括相平面与相轨迹、奇点与极限环等。它适用于一阶和二阶的系统，可以用来判定系统的稳定性与自激振荡，计算动态响应。Simulink力的辅助分析设计工具。7.下章提示在掌握本章基本知识的基础上，下章主要学习离散控制系统的分析方法，包括离散控制系统的基本概念及特点，信号的采样与复现，z变换与反变换，离散控制系统数学模型及性能分析。8.本章作业课后作业：教材习题7-8，7-10，7-11，7-17。线上作业：完成第7章测试题。第8章离散控制系统1.本章简介本章主要学习离散控制系统的分析方法，包括离散控制系统的基本概念及特点，信号的采样与复现，z变换与反变换，离散控制系统数学模型及性能分析等。2.基本要求正确理解离散控制系统基本概念和特点。掌握z变换及z反变换的定义、定理和应用。熟练掌握脉冲传递函数及根据结构图求闭环脉冲传递函数，理解离散系统暂态响应与z学会在时域内用输出脉冲