自动控制原理-第三章控制系统的时域分析教案

1、第三章 控制系统的时域分析1本章的教学要求1）使学生掌握控制系统时域分析方法。2）使学生掌握控制系统稳定性的基本概念、稳定的充分必要条件；3）使学生学会利用代数稳定性判据判断系统稳定性；4）掌握稳态误差计算 ;5）掌握一阶系统的单位阶跃响应、 单位斜坡响应、 单位脉冲响应的分析方法6）掌握二阶系统的单位阶跃响应、单位脉冲响应的分析方法 ;7）掌握二阶系统的单位阶跃响应性能指标计算；2本章讲授的重点本章讲授的重点是稳定性的基本概念、稳定的充分必要条件，应用代数稳定 性判据、稳态误差计算、 一阶系统的单位阶跃响应、 二阶系统的单位阶跃响应性 能指标计算。3本章的教学安排本章讲授 10 个学时，安排

2、了 5 个教案，实验学时 2 学时。 学生通过亲自动手实验， 掌握一阶系统、 二阶系统的单位阶跃响应性能与系统参 数之间的关系。 教案 3-11主要内容：1）时域分析法的基本概念、时间响应概念及其组成2）典型输入信号1）控制系统稳定性的基本概念；2）控制系统稳定的条件；2讲授方法及讲授重点：本讲首先介绍时域分析的基本概念及其特点， 通过二阶系统对单位阶跃输入 的响应过程曲线来介绍瞬态响应和稳态响应概念， 从而使学生了解时间响应的含 义。重点介绍常用的典型输入信号， 包括脉冲信号、 阶跃信号、 斜坡信号和抛物 线信号，说明信号的特点、在实际中选用典型输入信号的方法。强调控制系统稳定性是系统正常工

3、作的首要条件， 然后介绍系统稳定性的基 本概念、稳定的条件及判定方法。 重点介绍控制系统稳定的条件并做简单的推导， 得出系统稳定的充分必要条件为系统特征方程无正实根的结论。在授课过程中，通过讲解各种形式的例题，使学生充分理解并熟练掌握。 3教学手段：Powerpoint 课件与黑板讲授相结合。4注意事项：在讲授本讲时，注意讲清楚控制系统稳定的充要条件的推导； 5课时安排： 2 学时。6作业：书后 p88 习题 3-1,3-2 。 教案 3-21主要内容： 1)控制系统稳定性的判定方法； 2)代数稳定性判据。2讲授方法及讲授重点：在介绍代数稳定性判据时， 说明代数稳定性判据的依据是系统特征方程是

4、否 只具有负实根或负实部的复数根， 强调特征方程的根与方程式的系数有关， 从而 引出代数稳定性判据。重点介绍代数稳定性判据中的劳斯(Routh)稳定性判据和霍尔维茨( Hurwitz )稳定性判据。要求学生熟练掌握判据的应用方法，掌握 其充要条件的具体应用过程及其特点。3教学手段：Powerpoint 课件与黑板讲授相结合4注意事项： 在授课过程中，通过讲解各种形式的例题，使学生充分理解并熟练掌握。劳斯(Routh)稳定性判据中劳斯表的排列方法及各种特殊情况的处理；霍 尔维茨( Hurwitz )稳定性判据中霍尔维茨行列式的排列方法。5课时安排： 2 学时。6作业： p88 3-11(1)(3

5、),3-12 教案 3-31主要内容：1)稳态误差和稳态偏差的基本概念；2)偏差传递函数和稳态偏差计算方法；3) 稳态偏差系数的求取。4) 一阶系统的单位阶跃响应、单位斜坡响应、单位脉冲响应；2讲授方法及讲授重点：本讲主要介绍控制系统准确性的评价指标， 即稳态误差。 稳态误差的大小与 很多因素有关， 本节讨论稳态误差与系统的结构、 参数及输入信号的关系。 引出 一、二阶系统的讨论。在讲解过程中， 首先介绍稳态误差及稳态偏差的基本概念， 并介绍二者之间 的关系； 然后，重点介绍稳态误差的计算方法， 包括对于不同系统的位置偏差系 数、速度偏差系数、加速度偏差系数以及根据这些系数求取稳态偏差的计算方

6、法， 并总结出稳态偏差的计算表。在讲解过程中， 通过讲解例题使学生熟练掌握各种系统的稳态偏差计算， 尤 其要求学生熟悉稳态偏差的计算表，并会运用表进行计算。介绍一阶系统的典型响应、相关结论。在介绍一阶系统的时间响应时， 首先强调所谓一阶系统就是指前面章节所介 绍的惯性环节， 本讲就是分析惯性环节在不同输入信号作用下的时间响应。 重点 介绍一阶系统在单位阶跃信号、 单位斜坡信号和单位脉冲信号作用下系统的时间 响应特点，并对各自响应过程的性能指标和参数的求取进行详细介绍和分析。 3教学手段：Powerpoint 课件、 Matlab 绘图与黑板讲授相结合。4注意事项：在讲授本讲时， 注意讲清稳态偏

7、差的计算方法， 强调会运用稳态偏差的计算 表进行稳态偏差计算。5课时安排： 2 学时。6作业：书后 p88 习题 3-5(1)(3),3-7,3-8 。7思考题： 教案 3-41主要内容：1）典型二阶系统的响应分析。2） 时域指标与频域指标的关系2讲授方法及讲授重点：在介绍二阶系统的时间响应时， 强调评价二阶系统的性能， 最常用的输入信 号就是单位阶跃信号。 因此，本讲主要分析在不同阻尼比的情况下， 二阶系统的 单位阶跃响应过程，分为临界阻尼（Z =1）、过阻尼（Z >1）、欠阻尼（0<z <1） 及无阻尼情况，使学生熟悉系统输出与系统结构参数之间的内在关系。根据二阶系统的单

8、位阶跃响应公式及各个特征量的概念， 重点介绍欠阻尼情 况下二阶系统瞬态响应指标的具体计算方法， 对公式做简单推导， 并通过例题讲 解性能指标的具体应用。再将二阶系统的时域指标与频域指标进行分析比较， 使学生熟练掌握系统的 结构参数对系统频域、时域性能指标的影响。3教学手段：Powerpoint 课件、 Matlab 绘图与黑板讲授相结合。4注意事项：在讲授本讲时，应利用 Matlab 进行绘图演示，简单说明应用 Matlab 绘制 控制系统时间响应图形的方法， 主要是说明利用计算机可对各种系统进行计算机 仿真。5课时安排： 2 学时。6作业：书后 p88. 习 3-4,3-8 。7思考题：结合实验利用 Matlab 绘制一阶系统、二阶系统的单位阶跃响应曲线。 教案 3-51主要内容：1）介绍两种改善系统性能的途径2）高阶系统的时间响应分析 引出主导极点法： 2讲授方法及讲授重点：本讲首先针对二阶系统给出改善动态性能的方法， 比例微分控制、 测速反馈 控制的构成、性质、作用。比较两种改善系统性能的途径优缺点、使用时的注意事项。最后介绍高阶系统的时间响应分析方法时， 使学生了解分析高阶系统时间响 应的方法和过程。并介绍主导极点的概念。3教学手段：Powerpoint 课件、 Matlab 绘图与黑板讲授相结合。4注意事项