自動控制原理(經(jīng)典部分)課程教案

重點(diǎn)：開環(huán)控制和閉環(huán)控制的區(qū)別；反饋控制系統(tǒng)的組成及原理；控制系統(tǒng)性能的基本要求；根據(jù)實(shí)際控制系統(tǒng)繪制系統(tǒng)方框圖。難點(diǎn)：根據(jù)實(shí)際控制系統(tǒng)繪制系統(tǒng)方框圖。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講多問的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的方法突破難點(diǎn)。2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“自動化技術(shù)發(fā)展歷史和應(yīng)用”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)（一）自動控制的發(fā)展和應(yīng)用（約5min）1、應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空、航天、核反應(yīng)等領(lǐng)域。1、人工控制和自動控制：以水箱控制系統(tǒng)為例講解（1）自動控制：在無人直接參加的情況下，利用控制裝置使被控對象和過程自動地按預(yù)定規(guī)律變化的控制過程。（2）被控對象：要求實(shí)現(xiàn)自動控制的機(jī)器，設(shè)備或生產(chǎn)過程。（3）被控量：表現(xiàn)于控制對象或系統(tǒng)輸出端，要求實(shí)現(xiàn)自動控制（4）給定值：作用于控制對象或系統(tǒng)輸入端，并可使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或預(yù)定輸出的物理量。（5）擾動：所有影響控制量對被控量按要求進(jìn)行正常控制的因素（6）自動控制系統(tǒng)：是由控制裝置和被控對象所組成以水箱控制系統(tǒng)為例，繪制系統(tǒng)方框圖。4、反饋控制系統(tǒng)基本原理：用偏差糾正偏差。1、開環(huán)控制：只有前向通道而無反饋通道，輸出信號不影響控制作用。特點(diǎn)是輸出不影響輸入、控制精度不高。以電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為例講解按擾動控制和按給定控制兩種開環(huán)控制方式。2、閉環(huán)控制：既有前向通道又有反饋通道，輸出信號影響控制作用。特點(diǎn)是輸出影響輸入、控制精度高，因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)和振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。以電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為例講解閉環(huán)控制方式。（1）定值控制系統(tǒng)：輸出量以一定的精度等于給定值，而給定值（2）程序控制系統(tǒng)：自動控制系統(tǒng)的被控制量是根據(jù)預(yù)先編好的（3）隨動控制系統(tǒng)：輸出量能以一定精度跟隨給定值變化的系統(tǒng)。3、按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化（1）定常系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的參數(shù)在工作過程中不隨時(shí)間而變化。（2）時(shí)變系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的參數(shù)在工作過程中隨時(shí)間而變化。（1）連續(xù)系統(tǒng)：如果系統(tǒng)中傳遞的信號都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，則（2）離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中只要有一個(gè)傳遞的信號是時(shí)間上斷續(xù)的信舉例分析系統(tǒng)的分類。（1）穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。（2）準(zhǔn)確性：說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質(zhì)。（3）快速性：系統(tǒng)在穩(wěn)定的條件下，衡量系統(tǒng)過渡過程的形式和2、典型外作用：階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)、斜坡函數(shù)、正弦函數(shù)。3、對自動控制系統(tǒng)的基本要求第二章第一節(jié)控制系統(tǒng)的時(shí)域數(shù)學(xué)模型1、掌握控制系統(tǒng)微分分程的建立和求解方法。2、了解非線性微分分程線性化思想。重點(diǎn)：控制系統(tǒng)微分分程的建立；線性定常微分方程求解。難點(diǎn)：非線性微分分程線性化。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用分析舉例的方法突出重點(diǎn)、突破難點(diǎn)。2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“建模重要性”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)（一）建立微分方程的一般步驟（約5min）3、消去中間變量，寫出微分方程（二）線性元件的微分方程（約30min）（三）控制系統(tǒng)微分方程建立（1、由系統(tǒng)原理圖畫出系統(tǒng)方框圖或直接確定系統(tǒng)中各個(gè)基本部件；2、列寫各方框圖的輸入輸出之間的微分方程，要注意前后連接的兩個(gè)元件中，后級元件對前級元件的負(fù)載效應(yīng)；3、消去中間變量（五）線性定常微分方程的求解（2、拉氏變換法（舉例）介紹小偏差法，講解例題。2、線性定常微分方程的求解第二章第二節(jié)控制系統(tǒng)的復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型2、了解傳遞函數(shù)的極點(diǎn)和零點(diǎn)對輸出的影響。重點(diǎn)：傳遞函數(shù)的定義和求取。難點(diǎn)：傳遞函數(shù)的極點(diǎn)和零點(diǎn)對輸出的影響。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講多練的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的方法突破難點(diǎn)。2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“分析求解微分方程給系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)帶來不方便”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)定義：零初始條件下，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。（從用拉氏變換求解RC網(wǎng)絡(luò)的輸出引出傳遞函數(shù)的定義）2、傳遞函數(shù)只與系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與外作用的形式無關(guān)。4、傳遞函數(shù)是系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)的拉氏變換。3、不能反映非零初始條件下的全部響應(yīng)。（四）傳遞函數(shù)的零點(diǎn)和極點(diǎn)（約10min）ij2、時(shí)間常數(shù)表達(dá)式傳遞函數(shù)的極點(diǎn)就是微分方程的特征根，極點(diǎn)形成系統(tǒng)的模態(tài)，零點(diǎn)不形成系統(tǒng)的模態(tài)，但影響各模態(tài)所占的比重。di例如具有積分功能的運(yùn)算放大器。例如RC網(wǎng)絡(luò)，單容水槽，電樞控制直流電動機(jī)等。例如RLC無源網(wǎng)絡(luò)，雙容水槽。1、傳遞函數(shù)的定義、性質(zhì)和求取2、典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)2、會由結(jié)構(gòu)圖等效變換求傳遞函數(shù)。重點(diǎn)：結(jié)構(gòu)圖的繪制；由結(jié)構(gòu)圖等效變換求傳遞函數(shù)。難點(diǎn)：復(fù)雜結(jié)構(gòu)圖的等效變換。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講多練的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“用數(shù)學(xué)圖形描述系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)2、方框：表示輸入和輸出的運(yùn)算關(guān)系，即C(S)=R(S)*G(S)。繪制：列寫微分方程組，并列寫拉氏變換后的子方程；繪制各子方程的結(jié)構(gòu)圖，然后根據(jù)變量關(guān)系將各子結(jié)構(gòu)圖依次連接起來，得到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。任何復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，各方框之間的基本連接方式只有串聯(lián)、并聯(lián)和反饋連接三種。方框結(jié)構(gòu)圖的簡化是通過移動引出點(diǎn)、比較點(diǎn)、交換比較點(diǎn)，進(jìn)行方框運(yùn)算后，將串聯(lián)、并聯(lián)和反饋連接的方框合并，求出系統(tǒng)傳遞函數(shù)。2、結(jié)構(gòu)圖的簡化重點(diǎn)：信號流圖的繪制；用梅森公式求傳遞函數(shù)。難點(diǎn)：梅森公式的應(yīng)用。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講多練的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的方法突破難點(diǎn)。2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)（含教學(xué)設(shè)計(jì)、時(shí)間從“用結(jié)構(gòu)圖簡化復(fù)雜系統(tǒng)的不方便”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)（一）信號流圖的組成及性質(zhì)（約30min）1、組成：由節(jié)點(diǎn)和支路組成。節(jié)點(diǎn)代表變量，支路表示兩個(gè)變量之間的傳輸關(guān)系，相當(dāng)于乘法器。（3）信號在支路上只能沿箭頭方向單向傳遞；（4）對于給定系統(tǒng)，信號流圖不唯一。（1）源節(jié)點(diǎn)：只有輸出支路，無輸入支路的節(jié)點(diǎn)。（2）阱節(jié)點(diǎn)：只有輸入支路，無輸出支路的節(jié)點(diǎn)。（3）混合節(jié)點(diǎn)：既有輸入支路，又有輸出支路的節(jié)點(diǎn)。（4）前向通路：信號從輸入節(jié)點(diǎn)到輸出節(jié)點(diǎn)傳遞時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只（5）回路：起點(diǎn)和終點(diǎn)在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而且信號通過每一節(jié)點(diǎn)不（6）不接觸回路：回路之間沒有公共節(jié)點(diǎn)。（二）信號流圖的繪制（約40min）（2）取拉氏變換并考慮初始條件（3）將方程式整理成因果關(guān)系式（4）將變量用節(jié)點(diǎn)表示，根據(jù)方程所確定關(guān)系，依次畫出各節(jié)點(diǎn)用支路代替結(jié)構(gòu)圖的方框，傳遞函數(shù)就是支路增益；用節(jié)點(diǎn)代替結(jié)構(gòu)圖中的信號線，相加點(diǎn)用一個(gè)混合節(jié)點(diǎn)代替。輸入節(jié)點(diǎn)到輸出節(jié)點(diǎn)的傳遞函數(shù)公式表示為：k稱為特征式；Δ為Δ中除去與第k條前向通路相接觸的部分。k2、由梅森公式求傳遞函數(shù)例題講解1、輸入信號下的閉環(huán)傳遞函數(shù)2、擾動作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)3、閉環(huán)系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)1、由梅森公式求傳遞函數(shù)2、閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)重點(diǎn)：一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和典型響應(yīng)；一階系統(tǒng)性能指標(biāo)的計(jì)算。難點(diǎn)：一階系統(tǒng)的典型響應(yīng)。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“時(shí)域分析法的特點(diǎn)”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)時(shí)域表達(dá)式復(fù)域表達(dá)式時(shí)域表達(dá)式單位階躍函數(shù)s1t單位斜坡函數(shù)t2t2t22單位加速度函數(shù)3單位脈沖函數(shù)1單位脈沖函數(shù)正弦函數(shù)s2+①25、動態(tài)過程：系統(tǒng)在典型信號作用下，系統(tǒng)輸出量從初始狀態(tài)到最終狀6、穩(wěn)態(tài)過程：系統(tǒng)在典型信號作用下，當(dāng)時(shí)間t趨于無窮時(shí)，系統(tǒng)輸出rps2、穩(wěn)態(tài)性能：穩(wěn)態(tài)誤差：（（五）一階系統(tǒng)的典型響應(yīng)（約45min）t/Tdrs2、單位脈沖響應(yīng)t/T重點(diǎn)：欠阻尼二階系統(tǒng)性能指標(biāo)計(jì)算難點(diǎn)：欠阻尼二階系統(tǒng)分析。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“分析二階系統(tǒng)的意義”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)①22自然振蕩頻率阻尼比或阻尼系數(shù)n±j1ξ22應(yīng)是無超調(diào)單調(diào)上升過程。n，系統(tǒng)響應(yīng)是無超調(diào)單nd例題講解例題講解（五）二階系統(tǒng)性能的改善（約30min）1、比例－微分控制：超前作用，詳細(xì)分析2、測速反饋控制：增加阻尼，詳細(xì)分析。舉例分析比例－微分控制和測速反饋控制控制性能。（六）高階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)（約30min）距離虛軸最近且其附近無零點(diǎn)的極點(diǎn)，利用主導(dǎo)極點(diǎn)概念可以把高階系統(tǒng)近似為一階或二階系統(tǒng)。例題講解2、高階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的近似分析例題講解2、二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)3、欠阻尼二階系統(tǒng)動態(tài)過程分析重點(diǎn)：線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件；勞思穩(wěn)定判據(jù)及其應(yīng)用。難點(diǎn)：勞思穩(wěn)定判據(jù)的特殊情況。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“研究控制系統(tǒng)穩(wěn)定性重要性”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)系統(tǒng)受擾動后偏離了平衡狀態(tài)，當(dāng)擾動消除后能自動恢復(fù)到原來的平衡狀則系統(tǒng)穩(wěn)定，否則不穩(wěn)定閉環(huán)系統(tǒng)特征根均具有負(fù)實(shí)部。必要條件：系統(tǒng)特征方程的各項(xiàng)系數(shù)為正數(shù)2、勞思穩(wěn)定判據(jù)勞思表中第一列各值為正，系統(tǒng)穩(wěn)定。若不穩(wěn)定，第一列符號改變次數(shù)是特征方程正實(shí)部根的數(shù)目。1、某行第一列元素為0，該行元素不全為0時(shí)，用因子（s+a）乘以原特征方程，其中a為任意正數(shù)，再對新特征方程應(yīng)用勞思穩(wěn)定判據(jù)。2、某行元素全為0時(shí)：用上行構(gòu)成的輔助方程，求導(dǎo)后的新方程系數(shù)代2、確定參數(shù)對穩(wěn)定性的影響例題講解第三章第五節(jié)線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析重點(diǎn)：穩(wěn)態(tài)誤差的定義；計(jì)算穩(wěn)態(tài)誤差。難點(diǎn)：靜態(tài)誤差系數(shù)法。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“穩(wěn)態(tài)誤差是穩(wěn)定性能的技術(shù)指標(biāo)”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)l誤差的理論含義不明顯{EQ\*jc3\*hps30\o\al(\s\up12(〔不可測量),l較接近e)2、兩種定義的誤差間關(guān)系EQ\*jc3\*hps29\o\al(\s\up17(第一種定義),第二種定義)）：v：系統(tǒng)類型（型別）——系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)中所含純積分環(huán)節(jié)個(gè)數(shù)。v01KvKvKve與輸入r(t)與系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)參數(shù)KvKp=G(s)H(s)=EQ\*jc3\*hps35\o\al(\s\up14(K),sv)——靜態(tài)位置誤差系數(shù)KK=lims.GH=lim——靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv1KK=lims2.GH=lim——靜態(tài)加速度誤差系數(shù)Kv2例題講解（三）擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差（約25min）控制系統(tǒng)在擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，反映了系統(tǒng)的抗干擾能力。由于在擾動信號作用下系統(tǒng)的理想輸出為零，故擾動n(t)作用下的輸出端誤差為n例題講解（四）減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的方法（約20min）4、采用復(fù)合控制方法（在第六章詳細(xì)講解）2、輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算；4、減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的方法2、根據(jù)根軌跡繪制的基本法則繪制根軌跡重點(diǎn)：根軌跡方程；根軌跡的繪制。難點(diǎn)：繪制復(fù)雜系統(tǒng)的根軌跡。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講加練習(xí)的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的方法突破難點(diǎn)。2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“根軌跡法的理論和實(shí)際意義”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)1、根軌跡概念：當(dāng)開環(huán)系統(tǒng)某一參數(shù)從0到∞變化時(shí)，閉環(huán)極點(diǎn)在S平例題：系統(tǒng)如圖所示。K*=KK*=KK*2s+KK*2s+K*閉環(huán)特征根為：s1=-1+1-K*,s2=-1-1-K*當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)K*從零變化到無窮時(shí)，閉環(huán)極點(diǎn)的變化情況如表所示。K*01250:∞2、根軌跡與系統(tǒng)性能::（1）穩(wěn)定性：對于任何K*，系統(tǒng)總是穩(wěn)定的。ssKK*0<K*<1，閉環(huán)極點(diǎn)位于實(shí)軸上，系統(tǒng)為過阻尼程超調(diào)量隨K*增加而增大。（1）閉環(huán)零點(diǎn)=前向通道的零點(diǎn)+反饋通道的極點(diǎn)（2）閉環(huán)極點(diǎn)與開環(huán)零點(diǎn)，開環(huán)極點(diǎn)和根軌跡增益K*都有關(guān)系開環(huán)傳遞函數(shù)i=1根軌跡方程i=1相角條件注意：滿足相角條件的S，也一定有對應(yīng)的K*使之滿足模值條件，所以一定在根軌跡上，所對應(yīng)的K*值，由模值條件確定。法則1：根軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)：根軌跡起始于開環(huán)極點(diǎn)，終止于開環(huán)零點(diǎn)；如果開環(huán)零點(diǎn)個(gè)數(shù)m少于開環(huán)極點(diǎn)個(gè)數(shù)n，則有(n-j=1法則2：根軌跡的分支數(shù)、對稱性和連續(xù)性漸近線與實(shí)軸交點(diǎn)漸近線與實(shí)軸夾角n-m-1法則4：實(shí)軸上根軌跡。實(shí)軸上某一區(qū)域右側(cè)開環(huán)實(shí)數(shù)零、極點(diǎn)個(gè)數(shù)之和為奇數(shù)，則該區(qū)域必是根軌跡。例題講解法則5：根軌跡的分離點(diǎn)和分離角。設(shè)分離點(diǎn)坐標(biāo)為d例題講解法則6：根軌跡的起始角和終止角。θ出射角pi：根軌跡離開開環(huán)復(fù)數(shù)極點(diǎn)的切線與正實(shí)軸的夾角φ入射角zi：根軌跡進(jìn)入開環(huán)復(fù)數(shù)零點(diǎn)的切線與正實(shí)軸的夾角例題講解例題講解利用勞思判據(jù)求解1+G(jw)H(jw)=0，令實(shí)部為0，求虛部。例題講解i=1i=1重點(diǎn)：參數(shù)根軌跡和零度根軌跡的繪制。難點(diǎn)：非最小相位系統(tǒng)根軌跡的繪制。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“常規(guī)根軌跡和廣義根軌跡的不同”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)以非開環(huán)參數(shù)增益為可變參數(shù)繪制的根軌跡稱為參數(shù)根軌跡。將1+G(s)H(s)=0進(jìn)行等效變換為則等效開環(huán)傳遞函數(shù)為按照等效開環(huán)傳遞函數(shù)繪制根軌跡。正反饋或者非最小相位系統(tǒng)中包含s最高次冪的系數(shù)為負(fù)的因子。正反饋滿足：1-G(s)H相角條件法則4：實(shí)軸上根軌跡。實(shí)軸上某一區(qū)域右側(cè)開環(huán)實(shí)數(shù)零、極點(diǎn)個(gè)數(shù)之和為奇偶數(shù)，則該區(qū)域必是根軌跡。法則6：根軌跡的起始角和終止角。θ出射角pi：根軌跡離開開環(huán)復(fù)數(shù)極點(diǎn)的切線與正實(shí)軸的夾角φ入射角zi：根軌跡進(jìn)入開環(huán)復(fù)數(shù)零點(diǎn)的切線與正實(shí)軸的夾角K*(s-和↑零度根軌跡（四）增加開環(huán)零、極點(diǎn)對根軌跡的影響（約30min）用舉例分析方法說明增加開環(huán)零、極點(diǎn)對根軌跡的影響，結(jié)論：增加開環(huán)零點(diǎn)有利于改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增加開環(huán)極點(diǎn)不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般不單獨(dú)增加開環(huán)極點(diǎn)。主導(dǎo)極點(diǎn)：距離虛軸最近且其附近無零點(diǎn)的極點(diǎn)，利用主導(dǎo)極點(diǎn)概念可以把高階系統(tǒng)近似為一階或二階系統(tǒng)。偶極子：閉環(huán)零、極點(diǎn)相近很近，距離比它們各自的模值小一個(gè)數(shù)量級，這樣的閉環(huán)零、極點(diǎn)稱為偶極子。利用偶極子概念，可以增加零點(diǎn)，以抵消對動態(tài)過程影想不利的極點(diǎn)。舉例：利用主導(dǎo)極點(diǎn)概念估算高階系統(tǒng)的性能。3、增加開環(huán)零、極點(diǎn)對根軌跡的影響求重點(diǎn)難點(diǎn)進(jìn)程設(shè)計(jì)（含教學(xué)教學(xué)時(shí)間分配4、會由開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線確定傳遞函數(shù)。重點(diǎn)：頻率特性基本概念；開環(huán)幅相特性曲線；開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線。難點(diǎn)：繪制開環(huán)幅相特性曲線。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的方法突破難2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“頻率特性分析法的特點(diǎn)”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)（1）頻率特性可以運(yùn)用分析法和實(shí)驗(yàn)法獲得。（3）控制系統(tǒng)的頻率設(shè)計(jì)可以兼顧動態(tài)特性和噪聲抑制。頻率響應(yīng)。輸出穩(wěn)態(tài)分量的幅值與輸入的幅值之比，稱為幅頻特性——A(w)；輸出穩(wěn)態(tài)分量的相位與輸入的相位之差稱為相頻特性——φ(w)；二者合稱為頻率特性。s=jw（1）幅相頻率特性曲線：以w為自變量，將幅頻和相頻同時(shí)表示在復(fù)平面上。以（2）對數(shù)頻率特性曲線：對數(shù)幅頻特性曲線橫坐標(biāo)是w，按照lgw分度，KK01ss①1122①2n22①2n12①①22①①2-90-arctgT①21-()2①n非最小相位系統(tǒng)的幅相特性曲線與非最小相位系統(tǒng)的幅相特性曲線關(guān)于實(shí)軸對稱。2、開環(huán)幅相特性曲線的繪制（1）將開環(huán)傳遞函數(shù)按照典型環(huán)節(jié)分解（2）確定幅相曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)（3）曲線與實(shí)軸交點(diǎn)：令虛部為0，求實(shí)部。（4）曲線與虛軸交點(diǎn)：令實(shí)部為0，求虛部。1、典型環(huán)節(jié)對數(shù)頻率特性曲線名稱和傳遞對數(shù)幅頻特性對數(shù)相頻特性對數(shù)幅頻特性曲線節(jié)222]22①①2000①n①n分2、開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線的繪制（3）從第一個(gè)交接頻率開始，每經(jīng)過一個(gè)交接頻率，直線斜率變化一次。一階慣性（4）對數(shù)幅相曲線的繪制，將各典型環(huán)節(jié)的相角相加，求出該點(diǎn)的相角，用描點(diǎn)法-τs-jτ①（1）由起始段確定，同時(shí)確定K。（2）找到交接頻率，由斜率變化確定典型環(huán)節(jié)。3、開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線的繪制4、傳遞函數(shù)的頻域?qū)嶒?yàn)確定2、會應(yīng)用奈氏判據(jù)和對數(shù)穩(wěn)定判據(jù)判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。重點(diǎn)：奈氏判據(jù)和對數(shù)穩(wěn)定判據(jù)的應(yīng)用。難點(diǎn)：奈氏判據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“時(shí)域穩(wěn)定判據(jù)”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)（一）奈氏判據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（約50min）EQ\*jc3\*hps35\o\al(\s\up13(z),1)EQ\*jc3\*hps35\o\al(\s\up13(-z),p2)EQ\*jc3\*hps35\o\al(\s\up13(z),p)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(m),n)線順時(shí)針運(yùn)動一周，在F(s)平面上映射出一條閉合曲線Γ,若C曲線F包含F(xiàn)(s)的Z個(gè)零點(diǎn)和P個(gè)極點(diǎn)，則s沿C順時(shí)針運(yùn)動一F教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)（含教學(xué)設(shè)計(jì)、時(shí)間2、F(s)與關(guān)系計(jì)（含教學(xué)設(shè)計(jì)、時(shí)間F(s)的零點(diǎn)是閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)，F(xiàn)(s)的極點(diǎn)G(s)H(s)繞1，j0）點(diǎn)的圈數(shù)。（1）G(s)H(s)在虛軸上無極點(diǎn)（2）G(s)H(s)在虛軸上有極點(diǎn)4、G(s)H(s)閉合曲線Γ的繪制（1）若G(s)H(s)在虛軸上無極點(diǎn)，對應(yīng)開環(huán)幅相曲線。針補(bǔ)畫半徑為無窮大、圓心角為v×90圓弧。nG(j①)H(j①)處，用虛線順時(shí)針補(bǔ)畫半徑為無窮大、圓心角為n-n-5、閉合曲線ΓR=2N，N——為曲線Γ穿越1，j0）點(diǎn)以左負(fù)實(shí)軸的次數(shù)。：（奈氏判據(jù)移植于對數(shù)頻率坐標(biāo)的結(jié)果。曲線Γ包圍(-1,j0)點(diǎn)→L(①)>0dB在的頻段范圍內(nèi)，對數(shù)相頻特性φφnn-。2、對數(shù)頻率穩(wěn)定判據(jù)N=N-N若Z=0，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定；反之，閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，閉環(huán)有Z個(gè)右半平面φφ授課學(xué)時(shí)：3學(xué)時(shí)章節(jié)名稱備注教學(xué)目的和教學(xué)方法教學(xué)手段教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)（含教學(xué)設(shè)計(jì)、時(shí)間難點(diǎn)：穩(wěn)定裕度的計(jì)算。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性”引入新課。三、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)Γ相對于(-1,j0)點(diǎn)的位置，反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，即穩(wěn)定裕度。幅值裕度x（二）閉環(huán)頻率特性和性能指標(biāo)（約20min）s=j①1、諧振峰值M：閉環(huán)幅頻特性最大值。r出現(xiàn)諧振峰值時(shí)的頻率稱為諧振頻率①。r二階系統(tǒng)可見Mr，意味ξ小，系統(tǒng)平穩(wěn)b0~①B間的頻率段稱頻帶寬度，簡稱帶寬。它表明對高于帶寬頻率得輸入信號，系統(tǒng)輸出將出現(xiàn)較大的衰減。（二）閉環(huán)頻域指標(biāo)與開環(huán)頻域指標(biāo)之間的關(guān)系（約30min）閉環(huán)頻域指標(biāo)：M——平穩(wěn)性，①——響應(yīng)速度。rbc422r（三）頻域指標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系222rncrr點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)重難4、掌握串聯(lián)超前、滯后和滯后－超前校正步驟。重點(diǎn)：校正方式；PID控制規(guī)律；超前、滯后和滯后－超前網(wǎng)絡(luò)的特性；串聯(lián)超前、滯后和滯后－超前校正步驟。難點(diǎn)：超前、滯后和滯后－超前網(wǎng)絡(luò)的特性。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“為什么要進(jìn)行校正”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)若給出時(shí)域性能指標(biāo)，一般采用根軌跡法校正。2、頻域性能指標(biāo)閉環(huán)頻域指標(biāo)：M——平穩(wěn)性，①——響應(yīng)速度。rbc若給出頻域性能指標(biāo)，一般采用頻率法校正。①的選擇要兼顧跟蹤輸入信號的能力和抗干擾的能力。若輸入信號的帶b控制器被控對象C-R-校正-控制器被控對象C反饋校正校正-控制器被控對象R前饋校正控制器被控對象C-=Kp，Kp↑→↓,但穩(wěn)定性↓.pDi積分作用用于消除穩(wěn)態(tài)誤差。iRC超前網(wǎng)絡(luò)如圖所示傳遞函數(shù)其中：22m(正好位于，兩轉(zhuǎn)折頻率正中間)串聯(lián)超前校正利用超前網(wǎng)絡(luò)的相角超前特性，提高相角裕度。2、串聯(lián)超前校正步驟*am（4）驗(yàn)算校正后各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足要求。（六）串聯(lián)滯后校正可以導(dǎo)出其中：L(w)圖上的特征點(diǎn)計(jì)算可得滯后校正，要利用該網(wǎng)絡(luò)的高頻幅值衰減作用，盡量避免由于其相角滯后造成的y*下降的影響。為達(dá)此目的，總選擇遠(yuǎn)小于wEQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up3(*),c)。通常?。?）計(jì)算未校正w、yc（3）由y*計(jì)算或作圖得到w*cc（4）驗(yàn)算校正后各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足要求。（七）串聯(lián)滯后—超前校正1、無源滯后—超前校正網(wǎng)絡(luò)滯后—超前校正網(wǎng)絡(luò)可視為單組滯后和超前網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)，也可視為一個(gè)整aEQ\*jc3\*hps35\o\al(\s\up2(T),1)滯后—超前網(wǎng)絡(luò)對數(shù)頻率特性如圖所示。111用滯后—超前網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校正，實(shí)質(zhì)上是綜合利用滯后校正的幅值衰減，和超前校正的相角超前特性，對開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性進(jìn)行改造。2、串聯(lián)滯后—超前校正步驟（2）計(jì)算未校正w、YcT11（4）由響應(yīng)速度要求，選擇w*和（5）由相角裕度要求，取2（6）驗(yàn)算校正后各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足要求。重點(diǎn)：反饋校正的原理；綜合法反饋校正設(shè)計(jì)。難點(diǎn)：綜合法反饋校正設(shè)計(jì)。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“比較反饋校正和串聯(lián)校正各自特點(diǎn)”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)c若G2(j(j①)G2(j特性與未校正系統(tǒng)的特性是一樣的。為此，適當(dāng)選擇反饋校正裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以達(dá)到使校正后的系統(tǒng)具有所期望的頻率特性。（1）削弱反饋回路內(nèi)的非線性的影響。（3）降低系統(tǒng)對參數(shù)變化的靈敏度。（二）測速-相角超前網(wǎng)絡(luò)反饋校正（約20min）單純的速度（微分）反饋校正存在降低系統(tǒng)增益的問題。改進(jìn)的方法：速度（微分）反饋+超前校正網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，不設(shè)計(jì)舉例（三）綜合法反饋校正（約40min）（1）按穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求，繪制未校正系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性L（3）求內(nèi)回路的開環(huán)傳遞函數(shù)（4）檢驗(yàn)內(nèi)回路的穩(wěn)定性，校驗(yàn)期望開環(huán)截止頻率附近下列條件G2(j（6）檢驗(yàn)校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)c重點(diǎn)：復(fù)合校正的原理。難點(diǎn)：按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合校正。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“串聯(lián)校正和反饋校正的局限性”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)前饋校正和反饋校正的結(jié)合。必有E(s)=0，實(shí)現(xiàn)對擾動的誤差全補(bǔ)償。（二）按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合校正（約30min）輸出傳遞函數(shù)若選擇難點(diǎn)：采樣過程和采樣定理。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“離散系統(tǒng)的發(fā)展”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)（一）離散系統(tǒng)基本概念和分類（約30min）1、基本概念：控制系統(tǒng)中有一個(gè)或若干個(gè)部件的輸出信號是一串脈沖形），①信號采樣和復(fù)現(xiàn)②采樣系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖舉例①A/D②D/A轉(zhuǎn)換：把離散的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)模擬信號。解碼，把離散的二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為離散的模擬信號；模擬信號“保持器”將離散模擬信號復(fù)現(xiàn)為連續(xù)的模擬信號，該信號才能真正驅(qū)動模擬放大器等。③數(shù)字控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖。連續(xù)信號——采樣器——離散信號4、例題講解香農(nóng)采樣定理：——信號完全復(fù)現(xiàn)的必要條件h或采樣角頻率①hs幅頻特性零階保持器的頻率特性（2）相角滯后特性采樣信號n=0Z變換的定義為n=0（1）級數(shù)求和法（舉例）（2）部分分式法（舉例）（2）實(shí)數(shù)位移定理超前定理k=0（4）終值定理（5）卷積定理：設(shè)k=0則U(z)=E(z).G(z)（（1）部分分式法（舉例）（2）冪級數(shù)法（舉例）（3）反演積分法（舉例）2、會求取開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)。重點(diǎn)：線性常系數(shù)差分方程及其解法；開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)；閉環(huán)系統(tǒng)難點(diǎn)：求取閉環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)。3、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的4、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“連續(xù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)1、差分定義：記e(kT)為e(k)教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)（含教學(xué)1、定義：零初始條件下，離散系統(tǒng)輸出脈沖序列Z變換與輸入脈沖序列設(shè)計(jì)、時(shí)間2、意義：理想脈沖輸出響應(yīng)的Z變換就是脈沖傳遞函數(shù)。（1）由差分方程求?。ㄅe例）（2）由連續(xù)部分的傳遞函數(shù)求脈沖傳遞函數(shù)（舉例）（三）開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)（約20min）*(ss（2）[G(s)E*(s)]*=G*(s)E*(s)2、具有串聯(lián)環(huán)節(jié)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)（1）串聯(lián)環(huán)節(jié)之間有采樣開關(guān)（2）串聯(lián)環(huán)節(jié)之間無采樣開關(guān)3、帶有零階保持器的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)注意：離散系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)不能從對應(yīng)的連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的ZΦ(z)≠Z[Φ(s)]Φ(z)≠Z[Φ(s)]例題講解第七章第五節(jié)離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)（含教學(xué)設(shè)計(jì)、時(shí)間重點(diǎn)：離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件；離散系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)；離散系統(tǒng)的1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)虛軸單位圓周（二）離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件（1、充分必要條件：閉環(huán)特征根全部位于z平面單位圓內(nèi)。（三）離散系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)（約25min）zz1x+jy1(x1+jx212jyx2+y212即u=x21即u=2y2y2（1）當(dāng)采樣周期一定時(shí)，加大開環(huán)增益會使離散系統(tǒng)穩(wěn)定性變差；（2）當(dāng)開環(huán)增益一定時(shí)，采樣周期越長，對離散系統(tǒng)穩(wěn)定性及動態(tài)性能若離散系統(tǒng)穩(wěn)定，用終值定理求例題講解2、用靜態(tài)誤差系數(shù)法求取表1離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差0ⅠⅡⅢA000r(t)r(t)=At∞ATK000∞∞AT2K0點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)重難教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)（含教學(xué)設(shè)計(jì)、時(shí)間重點(diǎn)：離散系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)；采樣器和保持器對動態(tài)性能的影響；閉環(huán)極點(diǎn)與動態(tài)響應(yīng)的關(guān)系；最少拍系統(tǒng)設(shè)計(jì)。難點(diǎn)：最少拍系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1、教學(xué)方法：課堂講授法為主；用精講多問的方法突出重點(diǎn)，用分析舉例的方法突破難點(diǎn)。2、教學(xué)手段：以傳統(tǒng)的口述、粉筆加黑板的手段為主。從“從連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)”引入新課。二、教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)1、求取方法：用z變換法分析系統(tǒng)動態(tài)性能時(shí)，通常假定外作用為單位階躍函數(shù)，首先求出C(z)，再通過z反變換法求出脈沖序列C*(t)，可以1、采樣器可使系統(tǒng)的峰值時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間略有減小，但使超調(diào)量增大。2、零階保持器使系統(tǒng)的峰值時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間都加長，使超調(diào)量增大。（三）閉環(huán)極點(diǎn)與動態(tài)響應(yīng)的關(guān)系（約35min）根據(jù)系統(tǒng)在z平面上的零、極點(diǎn)分布，也可以估計(jì)系統(tǒng)的動態(tài)性能。系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)與極點(diǎn)位置關(guān)系圖如圖所示。1、數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)采樣系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為閉環(huán)誤差脈沖傳遞函數(shù)為由上兩式，可分別求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)為G(z)[1-Φ(z)]D(z)=Φ(z)G(z)[1-Φ(z)]其D(z)為數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，D(z)是由2、最少拍系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）定義：在典型輸入作用下，能以有限拍結(jié)束響應(yīng)過程，并且采樣點(diǎn))me)mF(z)e1)m。e①求G(z)——沒有單位圓上及圓外的零極點(diǎn)；②針對特定的典型輸入選Φ(z)eA(z))mA(z))mee④寫出D(z)=Φ(z)e（4）典型控制信號作用下的D(z)具體分析）具體分析）具體分析）①只對所針對的典型輸入有較理想的響應(yīng)，對不同輸入適應(yīng)性不強(qiáng)；②有波紋，磨損系統(tǒng)。1、采樣器和保持器對動態(tài)性能的影響