自动控制原理教案

自动控制原理教案

经典控制部分

第一章控制理论一般概念3学时 (2)

第二章控制系统的数学模型9学时 (6)

第三章控制系统的时域分析10学时 (15)

第五章频率特性12学时 (26)

第六章控制系统的校正与设计8学时 (36)

第七章非线性系统8学时 (40)

第八章离散控制系统8学时 (45)

第一章控制理论一般概念3学时

1．本章的教学要求

1）使学生了解控制工程研究的主要内容、控制理论的发展、控制理论在工程中的应用及控制理论的学习方法等内容，认识本学科在国民经济建设中的重要作用，从而明确学习本课程的目的。

2）使学生深入理解控制系统的基本工作原理、开环闭环和复合控制系统、闭环控制系统的基本组成等内容，学会利用所学控制原理分析控制系统。

3）使学生学会控制系统的基本分类方法，

4）掌握对控制系统的基本要求。

2．本章讲授的重点

本章讲授的重点是控制系统的基本概念、反馈控制原理、控制系统的的基本分类方法及对控制系统的基本要求。

3．本章的教学安排

本课程讲授3个学时，复习学时3个。

演示《自动控制技术与人类进步》及《自动化的应用举例》幻灯片，加深同学对本课程研究对象和内容的了解，加深对反馈控制原理及系统参数对系统性能影响的理解。

[教案1-1]

第一节概述

1．教学主要内容：

本讲主要介绍控制工程研究的主要内容、控制理论的发展、控制理论在工程中的应用及控制理论的学习方法等内容。

2．讲授方法及讲授重点：

本讲首先介绍控制工程研究的主要内容，给出定义，并以瓦特发明的蒸汽机离心调速器为例，说明需要用控制理论解决控制系统的稳定、准确、快速等问题。

其次，在讲授控制理论的发展时，主要介绍控制理论的发展的三个主要阶段，重点说明经典控制理论、现代控制理论研究的范围、研究的手段，强调本课程重点介绍经典控制理论。

另外，在介绍控制理论在工程中的应用时，应举出控制理论在军事、数控机床、加工中心、机器人、机电一体化系统、动态测试、机械动力系统性能分析、液压系统的动态特性分析、生产过程控制等方面的应用及与后续课的关系，激发同学的学习兴趣。

最后，在介绍控制理论的学习方法时，先说明本门课的特点，起点高、比较抽象、系统性强，然后强调学习本门课程应以新的视角分析和考虑问题，以系统的而不是孤立的、动态的而不是静态的观点和方法来思考和解决问题；掌握控制理论的基本概念、基本理论和基本方法并注意结合实际，为解决工程中的控制问题打下基础。

3．注意事项：介绍本门课的参考书及课程总体安排。

4．课时安排：1学时。

5．教学手段：Powerpoint课件。

6．作业及思考题：借参考书，查阅与本门课有关的文献资料，了解控制理论的应用及最新发展动态。

[教案1-2]

第二节控制系统的基本概念

1．主要内容：

本讲主要介绍控制系统的基本工作原理、开环闭环和复合控制系统、闭环控制系统的基本组成等内容。

2．讲授方法及讲授重点：

本讲首先介绍控制系统的基本工作原理，利用恒温箱人工控制与自动控制的例子，说明一切控制系统的控制步骤及控制原理，进一步引出反馈概念，给出反馈控制原理，之后，通过恒温箱例子，讲解功能方框图的含义、表达方法，介绍常用的术语如输入量、输出量、反馈量、扰动量等，在同学具备上述知识基础上，以蒸汽机离心调速器为例介绍方框图的绘制方法。

其次，本讲介绍开环、闭环和复合控制系统，首先说明这是控制系统按照有无反馈结构分类的一种分类方法，然后分别给出概念，通过数控线切割机进给系统开环、闭环的例子说明各自优缺点，并说明在实际中如何选用不同的控制系统。在讲解闭环控制系统举例时，可以再举例，如：直流伺服电机速度伺服控制系统、液压伺服系统、液位控制系统等例子，通过例子说明各种不同闭环控制系统的工作原理。

最后，在讲解闭环控制系统的基本组成时，首先讲解其基本组成，如：给定元件、放大变换元件、执行元件、被控对象、反馈元件等，说明当通过调整参数不能满足系统综合性能要求时，可以外加串联校正和并联校正装置改善系统性能，说明串联校正和并联校正装置的作用，交待一下今后在校正一章将专门介绍。

3．注意事项：本讲为本章的重点，关键是要将反馈概念和控制系统的重要原理——反馈控制原理讲清楚，以下的内容控制系统按照有无反馈结构分类、闭环控制系统的基本组成都是围绕这一主题展开的。注意启发同学，寻找身边的开环、闭环控制系统例子，分析其工作原理，并安排相应的作业。

4．课时安排：1学时。

5．教学手段：Powerpoint课件与板书相结合。

6．思考题：p12,1-1，1-4

[教案1-3]

第三节控制系统的基本类型

1．主要内容：

本讲主要介绍控制系统的基本类型和控制系统的基本要求

2．讲授方法及讲授重点：

本讲首先介绍控制系统按输入量输出量的运动规律分类情况。

其次，本节介绍控制系统按系统传递信号性质分类情况，可以分为连续控制系统、离散控制系统两种。在讲授连续控制系统时，首先给出基本概念，然后说明恒温箱控制系统、蒸汽机离心调速器、液压伺服系统、液位控制系统、电气随动系统等都是连续控制系统。在讲授离散控制系统时，首先利用图形给出基本概念，然后说明数控机床等计算机控制系统都是离散控制系统，此部分内容最后安排一章介绍。

最后介绍控制系统的基本要求，应说明对于同一个控制系统的稳、准、快这三方面的要求是相互制约的。分析和解决控制系统的稳定性、快速性和准确性，并解决它们之间的矛盾，正是本书所要讨论的主要内容。

3．注意事项：本讲应说明控制系统的分类方法有许多种，上一讲控制系统按照有无反馈结构分类就是一种分类方法。在讲解控制系统按输入量输出量的运动规律分类时，注意启发同学联系实际系统中的例子。

4．课时安排：1学时。

5．教学手段：Powerpoint课件及黑板板书相结合。

6．注意事项：本讲为本章的最后一讲，在讲完上述内容的基础上，应进行本章小结。

7．思考题：请同学思考（可去图书馆查阅资料），举出实际系统中有关恒值控制系统、程序控制系统、随动系统的例子。

第二章控制系统的数学模型9学时

1．本章的教学要求

1）使学生了解控制系统建立数学模型的方法和步骤；

2）使学生掌握传递函数的定义、性质及传递函数的求取方法；

3）掌握典型环节及其传递函数；

4）掌握用方框图等效变换的基本法则求系统传递函数的方法。

2．本章讲授的重点

本章讲授的重点是传递函数的定义、性质；用方框图等效变换的基本法则求系统传递函数的方法。

3．本章的教学安排

本课程讲授9个学时，安排了5个教案。

[教案2-1]

1．主要内容：

本讲介绍数学模型定义、特点、种类；主要介绍控制系统最基本的数学模型——微分方程，通过举例说明列写物理系统微分方程的基本方法和步骤。2．讲授方法及讲授重点：

本讲首先给出数学模型定义，说明为什么建立数学模型；介绍建立数学模型的依据；介绍数学模型特点，重点说明相似系统的概念、模拟的概念，由此引出今后研究控制系统问题都是在典型数学模型基础上进行的；介绍数学模型种类，说明本课程主要介绍微分方程、传递函数、频率特性形式数学模型。

其次，本讲主要以电气系统为例介绍列写物理系统微分方程的方法和步骤，通过例题的详细讲解，使学生了解微分方程是描述控制系统动态性能的数学模型，熟悉在分析具体的物理系统过程中，要综合应用所学过的物理、力学、机械等学科的知识。

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，应说明列写物理系统微分方程的依据是系统本身的物理特性，本课程主要讲授物理系统微分方程列写的方法和步骤。

5．课时安排：1学时。

6．作业：p47 2-1

7．思考题：复习拉普拉斯(Laplace)变换