《自动控制原理0401》教案.doc

石家庄铁道学院教 案20062007学年第1学期分院(系、部)：电气工程分院教 研 室：电子科学系课 程 名 称：自动控制原理授 课 班 级：电04011-2、04021-2主 讲 教 师：韩兵欣职 称： 副教授使 用 教 材：自动控制原理（第五版）石家庄铁道学院教务处制教 案（首页）课程名称中文：自动控制原理课程编号0803390英文：Automatic Control Theory学 分5.0授课教师韩兵欣职 称副教授课程性质学位课（ ） 必修课（ ） 选修课（ ）授课对象专业、层次和班级：本科；电04011-2，04021-2 共 4 个班课程学时 80 学时周学时 5 学时起止周116学时分配理论讲授： 68 学时； 实验： 12 学时； 上机： 学时授课方式课堂讲授（ ）；实践课（ ）考核方式考试（）；考查（ ）使用教材教材名称：自动控制原理作者：胡寿松 出版社：科学出版社 出版日期：2001主要参考资料及指定参考书1、现代控制工程（第三版），卢伯应，王海勋译，电子工业出版社2、Modern Control System（英文影印版）（第十版），（美）Richard C. Dorf, Robert H Bishop, 科学出版社，2005.9.1.3、自动控制原理（修订版），李友善编著，国防工业出版社，1989.4、自动控制原理，吴麒主编，清华大学出版社，1990.审核意见 教研室主任（签字）： 2006年9月16日石家庄铁道学院教案用纸周 次第1周日 期2006.9.25节 次第5-6节授课内容第一章 绪论授课学时2学时教学目的掌握自动控制系统的基本要求，熟悉基本概念，了解发展历史教学重点自动控制系统的基本要求，基本概念教学难点自动控制系统基本控制方式教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程1、 动控制理论的基本概念；（20分钟）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；（5分钟）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；（10分钟）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；（10分钟）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；（15分钟）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；（20分钟）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；（5分钟）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；（10分钟）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；（5分钟）思考题作 业1-1，1-2，1-3、1-6，1-10石家庄铁道学院教案用纸周 次第1周日 期2006.9.27节 次第3-4节授课内容2.1控制系统时域数学模型授课学时2学时教学目的掌握时域数学模型、熟悉数学模型的建立方法教学重点数学模型的建立方法教学难点物理过程的数学模型建立方法教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程1、 数学模型的基本概念；（10分钟）2、 线性元件的微分方程的建立过程；（20分钟）（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；（30分钟）（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：（10分钟）（1） 叠加性；（2） 齐次性。5、 线性定常微分方程的求解；（20分钟）（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。（10分钟）（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；（3） 忽略高次项，取线性多项式。思考题作 业2-1，2-2，2-3，2-4石家庄铁道学院教案用纸周 次第2周日 期2006.10.2节 次第5-6节授课内容2.2控制系统的复数域数学模型授课学时2学时教学目的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传递函数的定义和性质教学难点传递函数的求取教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程1、 复频域的概念；（10分钟）复变函数；2、 传递函数定义；（20分钟）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；（20分钟）（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；（20分钟）（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。（10分钟）（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；（30分钟）（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）。思考题作 业2-5，2-11，2-13，2.15石家庄铁道学院教案用纸周 次第2周日 期2006.10.4节 次第3-4节授课内容2.3控制系统的结构图与信号流图授课学时2学时教学目的掌握系统结构图的基本组成、等效变换教学重点控制系统结构图及其等效变换教学难点结构图等效变换教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程1、系统结构图的组成；（10分钟）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；（10分钟）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；（10分钟）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；（10分钟）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（20分钟）。6、信号流图的基本概念；（10分钟）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；（5分钟）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；（5分钟）（1）节点；（2）通道；（3）回路；9、信号流图的绘制；（10分钟）（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。（10分钟）思考题作 业2-16，2-17，2-18，2-21石家庄铁道学院教案用纸周 次第2周日 期2006.10.6节 次第5-6节授课内容实验一、典型环节模拟授课学时2学时教学目的掌握典型环节模拟实现方法，熟悉典型环节时域响应教学重点典型环节模拟实现方法教学难点典型环节实现教 具 和媒体使用XMN-2型实验箱；信号发生器，示波器教学方法实验课教学过程一、实验目的：1. 学习典型线性环节的模拟方法。2. 研究电阻、电容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。二、实验设备：1. XMN-2型自动控制原理实验箱；2. LZ3系列函数记录仪；3. DX5型超低频信号发生器；4. 万用表。三、实验内容：1. 比例环节；2. 积分环节；3. 比例积分环节；4. 比例微分环节；5. 比例积分微分环节6. 一阶惯性环节一、 实验结果记录上述实验曲线。二、 实验结果分析对上述实验结果进行分析，分析误差原因，提出改进措施。思考题作 业一阶惯性环节在什么条件下可视为积分环节；在什么条件可视为比例环节？撰写实验报告石家庄铁道学院教案用纸周 次第3周日 期2006.10.9节 次第5-6节授课内容第三章 时域分析授课学时2学时教学目的掌握时域性能指标、熟悉系统运动过程教学重点时域性能指标教学难点时域性能指标教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程1、 典型输入信号；（10分钟）（1） 单位阶跃函数；（2） 单位斜坡函数；（3） 单位加速度函数；（4） 单位脉冲函数；（5） 正弦函数。2、 动态过程；（20分钟）动态过程又称过渡过程或瞬态过程，系统在典型信号作用下，输出量从初始状态到最终状态的响应过程。3、 稳态过程；（10分钟）系统在典型信号作用下，时间t趋于无限大时，系统输出量的表现形式。4、 动态性能；（20分钟）延迟时间td：响应第一次达到终值50所需时间。上升时间tr：从终值10上升到终值90所需时间；对于有振荡系统，定义为从零第一次上升到终值所需时间。峰值时间tp：响应超过终值到达第一个峰值所需时间。调节时间ts：达到并保持在终值5之内所需要的最短时间。超调量(Overshoot)s%：最大偏离量与终值之差与终值的百分比。5、 稳态性能；（10分钟）稳态误差是描述稳态性能的指标。6、 一阶系统时域分析。（30分钟）思考题作 业3-1，3-3，3-4石家庄铁道学院教案用纸周 次第3周日 期2006.10.11节 次第3-4节授课内容3.3 二阶系统时域分析，3.4 高阶系统分析授课学时2学时教学目的掌握二阶系统时域分析，二阶系统时域性能指标，了解高阶系统分析方法教学重点二阶系统时域性能指标，改善系统性能措施教学难点二阶系统时域分析教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程1、二阶系统数学模型；（10分钟）2、二阶系统单位阶跃响应；（40分钟）（1）欠阻尼二阶系统动态过程分析（0z1）；（3）零阻尼二阶系统动态过程分析（z=0）；（4）欠阻尼二阶系统的单位斜坡响应；（5）临界阻尼二阶系统的单位斜坡响应；（6）过阻尼二阶系统的单位斜坡响应。3、二阶系统性能改善；（20分钟）（1）比例-微分（Proportional-Diferential）控制；（2）测速反馈控制；4、非零初始条件下二阶系统的响应。（10分钟）5、高阶系统单位阶跃响应（20分钟）（1）三阶系统单位阶跃响应；（2）闭环主导极点； （3）高阶系统动态性能估算。思考题作 业3-4，3-6，3-7，3-10石家庄铁道学院教案用纸周 次第4周日 期2006.10.16节 次第5-6节授课内容线性系统稳定性分析授课学时2学时教学目的了解稳定性基本概念，掌握线性系统稳定性充分必要条件、Routh判据教学重点稳定性判据教学难点稳定性判据教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程1、 稳定性基本概念；（10分钟）所谓稳定性，是指系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复到原平衡状态的性能。2、 线性系统稳定性的充分必要条件；（10分钟）线性系统稳定的充分必要：闭环系统特征方程的所有根均具有负实部；或者说，闭环传递函数的极点必须严格位于左半s平面。3、 Routh-Hurwitz稳定判据；（30分钟）（1） Hurwitz稳定判据；在特征方程所有系数均为正的条件下，Hurwitz行列式所有奇次顺序主子式为正，偶次顺序主子式亦为正，则系统稳定；反之亦然。（2） Routh稳定性判据；Routh表中第一列各值均大于零，则系统稳定；Routh表中第一列出现小于零的数值，则系统稳定；第一列各系数改变符号的次数，即为特征方程正实部特征根的数目。4、 Routh稳定判据的特殊判据；（20分钟）（1） Routh表第一列某项为零，其余各项不全为零；用(s+a)乘以特征方程，再次对新特征方程应用Routh稳定性判据；用无穷小数e代替零元素，继续计算Routh稳定性判据；（2） Routh表出现全零行；5、 Routh稳定判据的应用（30分钟）思考题作 业3-12，3-13，3-14石家庄铁道学院教案用纸周 次第4周日 期2006.10.18节 次第3-4节授课内容线性系统的稳态误差授课学时2学时教学目的掌握稳态误差计算、熟悉稳态误差系数、了解误差产生原因教学重点稳态误差计算教学难点稳态误差计算教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程1、 误差；（10分钟）误差定义：（1）系统作用（输入）误差e(t)=r(t)-c(t)；（2）系统输出误差e(t)=y(t)-y(t)。2、 稳态误差；（5分钟）稳定系统当时间t趋于无穷大时的系统误差，记为ess(t)。3、 系统类型；（5分钟）系统含有积分环节的个数，称为系统的型别。常用有0、型。4、 阶跃作用下的稳态误差（10分钟）ess=R/(1+kp)；v=0；ess=05、 静态位置误差系数；（10分钟）6、 斜坡作用下的稳态误差；（10分钟）ess=，v=0；ess= R/kv，v=1；ess=0，v07、 静态速度误差系数；（10分钟）8、 加速度作用下的稳态误差；（10分钟）9、 静态加速度误差系数；10、 动态误差系数；（10分钟）11、 扰动作用下的稳态误差；（10分钟）12、 减小或消除稳态误差措施（20分钟）（1）增大系统开环增益；（2）串联积分环节；（3）采用串级控制；（4）采用复合控制。思考题作 业3-15，3-18石家庄铁道学院教案用纸周 次第4周日 期2006.10.20节 次第5-6节授课内容实验二、二阶系统时域分析授课学时2学时教学目的掌握二阶系统实现方法，二阶系统时域响应教学重点二阶系统阶跃响应性能指标教学难点参数x、wn对二阶系统阶跃瞬态响应的影响教 具 和媒体使用XMN-2型实验箱；信号发生器，示波器教学方法实验课教学过程一、实验目的：1. 学习二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法。2. 研究二阶系统的两个重要参数x、wn对阶跃瞬态响应指标的影响。二、实验设备：1. XMN-2型自动控制原理实验箱；2. LZ3系列函数记录仪；3. DX5型超低频信号发生器；4. 万用表。三、实验内容：1. 连接二阶系统；2. 调整Rf=40K，使K=0.4（x=0.2）；记录单位阶响应曲线c(t)；3. 保持x=0.2不变，取wn=1/1.47；记录单位阶跃响应曲线c(t)；4. 保持x=0.2不变，取wn=1/1.0；记录单位阶跃响应曲线c(t)；5. 保持wn=1/1.0不变，使x=0.4；记录单位阶跃响应曲线c(t)；6. 保持wn=1/1.0不变，使x=1.0；记录单位阶跃响应曲线c(t)。三、 实验结果记录上述实验曲线。四、 实验结果分析对上述实验结果进行分析，分析误差原因，提出改进措施。思考题作 业1. 设计一个能满足e1+e2+e3=e运算关系的实用加法器；2. 一阶惯性环节在什么条件下可视为积分环节；在什么条件可视为比例环节？3. 撰写实验报告。石家庄铁道学院教案用纸周 次第5周日 期2006.10.23节 次第5-6节授课内容第四章 根轨迹法授课学时2学时教学目的掌握根轨迹方程，熟悉幅值条件和相角条件教学重点根轨迹方程，幅值条件，相角条件教学难点根轨迹方程教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程4.1根轨迹法的基本概念1、 本概念（20分钟）某一参数从0时特征根在s平面变化的轨迹。2、 根轨迹与系统性能（10分钟）（1） 定性；（2） 稳态性能；（3） 动态性能。3、 闭环零极点与开环零极点之间的关系（20分钟）（1） 闭环根轨迹增益等于开环系统前向通路根轨迹增益；（2） 闭环零点由前向通路传递函数零点和反馈通路传递函数极点组成；（3） 闭环极点与开环零点、开环极点及根轨迹增益有关。4、 根轨迹方程（30分钟）根轨迹是系统所有闭环极点的集合。系统的根轨迹方程为1GH(s)0（1） 幅值条件：|G(s)H(s)|=1（2） 相角条件：G(s)H(s)=p4.2根轨迹绘制基本规则规则1：根轨迹起始于开环极点；（10分钟）规则2：根轨迹终止于开环零点；（10分钟）思考题作 业4-1；4-2；4-3。石家庄铁道学院教案用纸周 次第5周日 期2006.10.25节 次第3-4节授课内容根轨迹绘制的基本法则授课学时2学时教学目的掌握根轨迹绘制的基本法则教学重点根轨迹绘制的基本法则教学难点根轨迹起始角与终止角教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程4.2 根轨迹绘制的基本法则法则1、根轨迹起始于开环极点；（5分钟）法则2、根轨迹终止于开环零点；（5分钟）法则3、根轨迹对称于实轴；（5分钟）法则4、根轨迹的分支数：l=maxm,n；（5分钟）法则5、实轴上的根轨迹：实轴上根轨迹右边零极点个数之和为奇数；法则6、渐近线：（10分钟）：；法则7、分离点与会合点（10分钟）；法则8、分离角：（5分钟） 或 法则9、起始角：（10分钟）：法则10、终止角：（10分钟）；法则11、根轨迹与虚轴的交点（10分钟）；令s=jw 则 D(jw)=1+GH(jw)=0法则12、根之和（平衡性）（5分钟）；闭环极点的确定（20分钟）思考题作 业4-4，4-6，4-7，4-8石家庄铁道学院教案用纸周 次第6周日 期2006.10.30节 次第5-6节授课内容广义根轨迹授课学时2学时教学目的掌握广义根轨迹绘制规则教学重点广义根轨迹相角条件教学难点广义根轨迹相角条件教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程4.3 广义根轨迹1、 参数根轨迹（20分钟）以非开环增益为参数的根轨迹称为参数根轨迹。则：；2、 附加开环零点的作用（20分钟）（1） 增加开环零点，系统根轨迹向开环零点方向弯曲；（2） 增加偶极子，仅改善偶极子附近的根轨迹。3、 零度根轨迹（10分钟）满足特征方程根轨迹，称为零度根轨迹。4、 零度根轨迹绘制规则（50分钟）规则3：实轴上根轨迹右边零、极点个数之和为偶数；规则4：渐近线与实轴夹角为：j(2k+1)p/(n-m)规则5：根轨迹起始角：思考题作 业4-18、4-17石家庄铁道学院教案用纸周 次第6周日 期2006.11.1节 次第3-4节授课内容系统性能分析授课学时2学时教学目的掌握系统性能分析方法教学重点零极点对系统性能的影响教学难点系统性能分析方法教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授法教学过程4.4 系统性能分析1、 闭环零极点与时间响应（40分钟）1、 极点决定系统响应的振型；2、 闭环零点影响系统响应分量的比重；3、 闭环偶极子改善系统动态性能；2、系统响应的定性分析（60分钟）1、 稳定性：若闭环极点全部位于左半s平面，则系统一定稳定，稳定性只与闭环极点位置有关，与闭环零点无关。2、 运动形式：若闭环系统无有限零点，且闭环极点均为实数极点，则时间响应一定是单调的；如果闭环极点为复数极点，则时间响应一般是振荡的。3、 超调量：超调量主要取决于闭环复数极点的衰减率s1/wd，并且与其它闭环零、极点接近坐标原点的程度有关。4、 调节时间：调节时间主要取决于最靠近虚轴的闭环复数极点实部的绝对值s1=zwn；人工实数极点距离虚轴最近，并且它附近没有实数零点，则调节时间主要取决于该实数极点的模值。5、 实数零、极点影响：零点减小阻尼比，使峰值时间提前；极点增大阻尼比，使峰值时间滞后，超调量减小。随其接近原点程度增大。6、 偶极子：远离原点的偶极子其影响可略；接近原点偶极子必须考虑。7、 闭环主导极点决定系统响应的主要性能；凡是比主导极点的实部大6倍以上的其它闭环零、极点，其影响均可忽略。思考题作 业4-18，4-20石家庄铁道学院教案用纸周 次第6周日 期2006.11.3节 次第5-6节授课内容控制系统的根轨迹实验授课学时2学时教学目的熟悉MATLAB软件，掌握控制系统根轨迹绘制方法，根轨迹性能分析教学重点制系统根轨迹绘制方法教学难点控制系统性能分析教 具 和媒体使用实验箱，计算机，MATLAB软件教学方法实验课教学过程一、 实验目的：1. 掌握根轨迹的意义；2. 掌握控制系统根轨迹的绘制方法。二、 实验设备：1. 计算机；2. 数据采集卡；3. MATLAB软件。三、 实验内容：绘制闭环根轨迹命令：rlocus(system)，rlocus(numerator, denominator)；确定给定一组根的根轨迹增益命令：k,poles=rlocfind(system) =rlocfind(numerator, denominator)；四、 实验结果记录上述实验曲线。五、 实验结果分析对上述实验结果进行分析，分析误差原因，提出改进措施。思考题作 业4-18，4-20撰写实验报告石家庄铁道学院教案用纸周 次第7周日 期2006.11.6节 次第5-6节授课内容频率特性授课学时2学时教学目的了解频率特性概念，掌握频率特性表示，频率特性的绘制教学重点频率特性的绘制教学难点频率特性的绘制教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程5.1引言（10分钟）5.2频率特性1、 频率特性的基本概念（20分钟）（1） 频率特性的概念频率特性反映正弦信号作用下系统响应的性能。应用频率特性研究系统的方法称为频域分析法。（2） 频率特性定义在零初始条件下，输出响应的Fourier变换与输入信号的Fourier变换之比，称为频率特性。或在零初始条件下，输出响应的复数相量与输入信号复数相量之比，称为频率特性。在谐波输入下，输出响应与输入信号同频率谐波分量的幅值之比A(w)称为幅频特性，相位差j(w)称为相频特性。2、 频率特性的几何表示（20分钟）（1） 幅相频率特性曲线（2） 对数频率特性曲线（3） 对数幅相曲线3、 典型环节的频率特性（50分钟）（1）比例环节；（2）微分环节；（3）积分环节；（4）惯性环节；（5）一阶微分环节；（6）二阶振荡环节；（7）二阶微分环节；（8）延迟环节。思考题作 业5-1，5-3，5-5石家庄铁道学院教案用纸周 次第7周日 期2006.11.8节 次第3-4节授课内容典型环节分解和开环幅相频率特性曲线绘制授课学时2学时教学目的掌握典型环节频率特性、开环系统频率特性教学重点典型环节频率特性教学难点开环系统频率特性教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程1、 典型环节频率特性（30分钟）（1）比例环节；（2）积分环节；（3）微分环节；（4）惯性环节；（5）一阶微分环节；（6）二阶振荡环节；（7）二阶微分环节；（8）延迟环节2、 开环系统幅相频率特性（30分钟）绘制概略开环幅相频率特性的三要素：（1） 开环幅相频率特性曲线的起始点（w0+）和终止点（w）；（2） 开环幅相频率特性曲线与实轴的交点；（3） 开环幅相频率特性曲线的变化范围（象限、单调性）。绘制概略开环幅相频率特性曲线的三段特性：（1） 环幅相频率特性的起始段，或低频段；v=0，起始于实轴；v=1，平行于虚轴；v=2，平行于负虚轴。（2） 开环幅相频率特性的中频段；（3） 开环幅相频率特性的高频段（终点）n-m=0，终止于实轴；n-m=1，切角为p；n-m =2，切角为2p；3、 开环对数频率特性曲线（20分钟）（1）将系统频率特性按典型环节分解；（2）确定各典型环节转折角频率；（3）确定低频段起始位置，绘制低频段频率特性曲线；（4）根据转折角频率，确定下一段起始位置；（5）作下一环节的频率特性曲线。4、 延迟环节和延迟系统（5分钟）5、 传递函数的频域实验确定（5分钟）6、 应用举例（10分钟）思考题作 业5-5，5-7，5-10，石家庄铁道学院教案用纸周 次第8周日 期2006.11.13节 次第5-6节授课内容频率域稳定性判据授课学时2学时教学目的了解幅角原理，熟悉Nyquist曲线，掌握Nyquist判据教学重点Nyquist稳定性判据教学难点幅角原理教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程1、数学基础（30分钟）（1） 幅角原理设s平面闭合曲线G包围F(s)的Z个零点和P个极点，则s沿曲线运动一周时，在F(s)平面上，F(s)闭合曲线GF包围原点的圈数R=P-ZR0分别表示GF顺时针包围和逆时针包围F(s)平面的原点圈数，R=0表示不包围F(s)平面的原点。（2） 复变函数F(s)的选择（3） s平面闭合曲线G 即Nyquist围线；选择闭合曲线G 包围整个右半s平面，即包围所有不稳定闭环极点。（4） G(s)H(s)闭环曲线的绘制（5） 闭合曲线包围原点圈数R的计算R=2N=2(N+-N-)2、Nyquist稳定性判据（20分钟）反馈控制系统稳定的充分必要条件是半闭合曲线GGH不穿过(-1,j0)点，且逆时针包围(-1,j0)点的圈数R等于开环传递函数的正实部极点数P。3、对数频率稳定性判据（30分钟）反馈控制系统稳定的充分必要条件是j(wc)(2k+1)p；k=0,1,2,和L(w)0时，穿越(2k+1)p的次数满足Z=P-2N4、条件稳定系统（20分钟）思考题作 业5-144，5-19石家庄铁道学院教案用纸周 次第8周日 期2006.11.15节 次第3-4节授课内容稳定裕度，闭环系统频域指标授课学时2学时教学目的掌握相角裕度、幅值裕度，熟悉闭环频域指标教学重点相角裕度、幅值裕度教学难点闭环频域指标教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程1、相角裕度g(wc) （30分钟）相角裕度g(wc)的含义是，对于闭环稳定系统，如果相频特性再滞后g(wc)，则系统将处于不稳定状态。2、幅值裕度h(wx) （20分钟）幅值裕度h(wx)的含义是，对于闭环稳定系统，如果幅值再增大h(wx)倍，则系统将处于临界稳定状态。3、闭环系统频域指标（50分钟）（1） 控制系统的频带宽度；（2） 系统的带宽选择；（3） 确定闭环系统频率特性的图解法；（4） 开环系统频域指标和时域指标的转换；（5） 闭环系统频域指标和时域指标的转换；思考题作 业5-16，5-18石家庄铁道学院教案用纸周 次第8周日 期2006.11.18节 次第5-6节授课内容频率特性实验授课学时2学时教学目的熟悉MATLAB软件，掌握频率特性绘制方法，用频率特性分析系统的稳定性教学重点频率特性绘制方法，用频率特性分析系统的稳定性教学难点频率特性绘制方法教 具 和媒体使用实验箱，计算机教学方法实验课教学过程一、实验目的：1. 学习频率特性的实验方测定法；2. 掌握根据频率响应实验结果绘制bode图方法；3. 根据实验结果所绘制的Bode图，分析系统的主要动态特性（Mp，ts）。二、实验设备：1. XMN-2型自动控制原理实验箱；2. LZ3系列函数记录仪；3. DX5型超低频信号发生器；4. 万用表。三、实验内容：5. 绘制连续系统的幅相(Nyquist曲线)频率特性曲线。nyquist(system)= nyquist(num,den)6. 绘制连续系统的对数(Bode图)频率特性曲线。bode(system)=bode(num,den)7. 在对数(Bode图)频率特性曲线上求增益裕量和相位裕量。 gm,pm,wcp,wcg=margin(system)= margin(num,den)四、实验结果记录上述实验曲线。五、实验结果分析对上述实验结果进行分析，分析误差原因，提出改进措施。思考题作 业撰写实验报告石家庄铁道学院教案用纸周 次第9周日 期2006.11.22节 次第3-4节授课内容线性控制系统的设计与校正授课学时2学时教学目的了解校正的一般概念，熟悉设计的一般问题，掌握设计的一般方法教学重点设计与校正的一般方法教学难点设计与校正的一般方法教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程1、校正的一般概念：（10分钟）所谓校正就是再系统中加入一些参数可以改变的机构或装置，使整个系统特性发生变化，从而满足给定的性能指标。设计控制系统的目的：是将构成控制器的各部件与被控对象适当组合起来，使之满足表征控制精度、阻尼比和响应速度的性能指标要求。2、性能指标；（10分钟）（1）二阶系统频域指标与时域指标的关系；谐振峰值；谐振频率；带宽频率；截止频率；相角裕度；超调量；调节时间。（2）高阶系统频域指标与时域指标的关系；谐振峰值；超调量；调节时间。3、系统带宽的选择；（10分钟）4、校正方式；（20分钟）（1）串联校正（2）前馈校正；（3）复合校正。5、基本控制规律（50分钟）（1）比例(P)控制规律；（2）比例-微分(PD)控制规律；（3）积分(I)控制规律；（4）比例-积分(PI)控制规律；（5）比例-微分-积分(PID)控制规律。思考题作 业6-1，6-2石家庄铁道学院教案用纸周 次第10周日 期2006.11.27节 次第5-6节授课内容常用校正装置及其特性授课学时2学时教学目的掌握无源校正装置，熟悉有源校正装置，了解PID控制器教学重点无源校正装置教学难点无源校正装置的频率特性教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程1、无源校正装置及特性（60分钟）（1）无源超前校正网络；（2）无源滞后校正网络；（3）无源滞后-超前校正网络。2、有源校正装置。（20分钟）3、PID控制器（20分钟）（1）PID控制器的结构（2）PID控制器的调整；（3）PID控制器的使用。思考题作 业6-1，6-2石家庄铁道学院教案用纸周 次第10周日 期2006.11.29节 次第3-4节授课内容串联校正设计授课学时2学时教学目的掌握串联超前校正、滞后校正，熟悉滞后-超前校正教学重点串联超前校正教学难点滞后-超前校正教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程1、 频率响应校正设计（10分钟）2、 串联超前校正（30分钟）（1） 根据稳态误差要求，确定开环增益；（2） 计算待校正系统的相角裕度；（3） 根据截止频率要求，确定校正装置参数；（4） 校验校正系统的相角裕度。3、 串联滞后校正（20分钟）（1） 根据稳态误差要求，确定开环增益；（2） 绘制未校正系统对数频率特性；（3） 计算待校正系统的截止角频率，相角裕度，幅值裕度；（4） 选择截止角频率，绘制g(wc)曲线；（5） 根据相角裕度要求，选择校正系统截止角频率；（6） 确定校正装置参数（7） 校验系统性能。4、 串联滞后-超前校正（20分钟）（1） 根据稳态性能要求确定开环增益；（2） 绘制待校正系统频率特性，求待校正系统截止频率，相角裕度；（3） 根据响应速度要求，选择截止频率和校正网络衰减因子；（4） 根据相角裕度要求，估算校正网络滞后部分交接频率；（5） 校验性能指标。5、 串联综合校正（10分钟）6、 串联工程设计方法（10分钟）思考题作 业石家庄铁道学院教案用纸周 次第10周日 期2005.12.1节 次第5-6节授课内容反馈校正和复合校正授课学时2学时教学目的掌握反馈校正，熟悉复合校正教学重点反馈校正教学难点复合校正教 具 和媒体使用教学方法讲授教学过程1、反馈校正原理与特点（30分钟）反馈校正基本原理：用反馈校正装置包围待校正系统中对动态性能改善有重大妨碍作用的某些环节，形成一个局部反馈校正回路（内回路，或称副回路），在局部反馈回路开环幅值远大于1的条件下，局部反馈回路的频率特性主要取决于反馈校正装置，而与被包围的部分无关；适当选择反馈校正装置形式和参数，可以使已校正系统的性能满足指标要求。 反馈校正特点：（1） 消弱非线性特性影响；（2） 减小系统时间常数（3） 降低系统对参数变化的敏感性2、测速-超前网络反馈校正（30分钟）3、复合校正概念（20分钟）4、按扰动补偿复合校正（10分钟）5、按输入补偿复合校正（10分钟）思考题作 业6-11，6-12，6-16石家庄铁道学院教案用纸周 次第11周日 期2006.12.4节 次第5-6节授课内容串联校正设计实验授课学时2学时教学目的掌握串联校正设计的基本方法、熟悉串联校正的实现过程教学重点串联校正的参数影响教学难点串联校正设计的手段教 具 和媒体使用实验箱教学方法实验课教学过程一、实验目的：1. 研究校正装置对系统动态性能指标的影响；2. 学习校正装置的设计和实现方法。3. 掌握串联校正装置的设计方法和参数调试技术。二、实验设备：1. 计算机；2. MATLAB软件。三、实验内容：控制系统校正。四、实验结果分析1. 给定物理系统对象，即可建立数学模型；2. 只要有系统数学模型，即可绘制频率特性；3. 根据系统的频率特性可分析系统的稳定性及系统性能指标。4. 根据校正系统模型即可仿真出系统的时域响应。思考题作 业实验报告石家庄铁道学院教案用纸周 次第11周日 期2006.12.6节 次第3-4节授课内容线性离散控制系统的基本概念授课学时2学时教学目的掌握离散控制系统研究方法、熟悉计算机控制系统结构教学重点离散控制系统研究方法教学难点信号采样与保持，Shannon采样定理教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程1、离散控制系统概念（20分钟）（1）采样控制系统控制系统中所有信号都是连续时间函数，称为连续控制系统。控制系统中有一处或几处信号是离散时间信号，称为离散控制系统。控制系统中有一处或几处信号是脉冲序列信号，称为脉冲控制系统。控制系统中有一处或几处信号是数字信号，称为数字控制系统，或计算机控制系统。信号采样与复现；采样系统的典型结构。（2）数字控制系统（3）离散控制系统的结构（4）离散控制系统的特点（5）离散控制系统的研究方法2、信号采样与保持（30分钟）（1）采样过程（2）采样过程数学描述；（3）Shannon（香农）采样定理；（4）采样周期选取；（5）信号保持；思考题作 业7-1，7-2，7-3，7-5石家庄铁道学院教案用纸周 次第12周日 期2006.12.11节 次第5-6节授课内容Z变换理论授课学时2学时教学目的掌握Z变换理论、Z变换性质、Z变换计算教学重点Z变换理论、Z变换性质教学难点Z变换定义教 具 和媒体使用多媒体课件教学方法讲授教学过程1、z变换理论（50分钟）（1）z变换定义采样信号表达式采样信号的z变换（2）z变换方法1）级数求和法；2）部分分式法；3）查表法。（3）z变换性质1）线性定理；2）实数位移定理；3）复数位移定理；4）卷积定理；5）微分定理；6）终值定理。2、z反变换（50分钟）（1）部分方式法（2）幂级数法；（3）反演积分法；（4）留数法。思考题作 业7-2；7-3；7