大学自动控制课件教案-Module14
自动控制原理(经典部分)课程教案
xx科技大学《自动控制原理》（经典部分）课程教案授课时间：适用专业、班级：编写人：编写时间：)())()m n s z s p --221)(1)21)(1)i j s s T s T s ζττζ++++++ 极点形成系统的模态，授课学时：2学时章节名称第二章第三节控制系统的结构图与信号流图（1）备注教学目的和要求1、会绘制结构图。
2、会由结构图等效变换求传递函数。
重点难点重点：结构图的绘制；由结构图等效变换求传递函数。
难点：复杂结构图的等效变换。
教学方法教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲多练的方法突出重点，用分析举例的方法突破难点。
2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。
教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等）一、引入（约3min）从“用数学图形描述系统的优点”引入新课。
二、教学进程设计（一）结构图的组成（约7min）1、信号线：表示信号的传递方向。
2、方框：表示输入和输出的运算关系，即C(S)=R(S)*G(S)。
3、比较点：表示两个以上信号进行代数运算。
4、引出点：一个信号引出两个或以上分支。
（二）结构图的绘制（约40min）绘制：列写微分方程组，并列写拉氏变换后的子方程；绘制各子方程的结构图，然后根据变量关系将各子结构图依次连接起来，得到系统的结构图。
例题讲解。
（二）结构图的简化（约46min）任何复杂的系统结构图，各方框之间的基本连接方式只有串联、并联和反馈连接三种。
方框结构图的简化是通过移动引出点、比较点、交换比较点，进行方框运算后，将串联、并联和反馈连接的方框合并，求出系统传递函数。
1、串联的简化：12()()()G s G s G s=2、并联的简化：12()()()G s G s G s=±3、反馈连接方框的简化：11()()1()()G ssG s H sΦ=4、比较点的移动：移动前后保持信号的等效性。
比较点前移比较点后移5、引出点的移动：移动前后保持信号的等效性。
自动控制原理及应用课件
控制算法设计
采用位置闭环控制算法，根据位置误 差调节执行机构的输出，实现位置的 精确控制。
抗干扰措施
设计滤波器、隔离电路等抗干扰措施， 提高系统对外部干扰的抵抗能力。
07
现代控制理论在自动控制中应用
状态空间法描述动态系统
01
状态变量的定义与 性质
状态变量是描述系统动态行为的 最小变量集，具有可观测性和可 控制性。
极限环与振荡
研究相平面上可能出现的极限环及其性质， 分析系统的振荡行为。
描述函数法分析非线性系统
描述函数的性质
研究描述函数的幅值、相位等特性，分析非 线性系统的频率响应。
描述函数的概念
用一次谐波分量近似表示非线性环节的输入 输出关系。
描述函数法的应用
利用描述函数法分析非线性系统的稳定性、 自振频率等动态特性。
利用数学表达式描述系统的输入-输出关系，便 于理论分析和计算。
表格描述法
通过列出系统在不同输入下的输出值，形成输入输出对应表，方便查阅和对比。
相平面法分析非线性系统
相平面的概念
在相平面上绘制系统状态变量的轨迹，反映 系统的动态行为。
平衡点与稳定性
通过分析相平面上的平衡点及其性质，判断 系统的稳定性。
03
Z变换在离散系统分 析和设计中的应用
利用Z变换可以分析离散系统的稳定 性、因果性和频率响应等特性，进而 进行系统设计和优化。同时，Z变换 也可以用于数字滤波器的设计和分析 等应用领域。ຫໍສະໝຸດ 05非线性系统分析
非线性特性描述方法
图形描述法
通过绘制系统的输入-输出特性曲线，直观展示 非线性特性。
解析描述法
02
状态空间方程的建 立
自动控制原理电子教案
一、教案基本信息自动控制原理电子教案课时安排：45分钟教学目标：1. 理解自动控制的基本概念和原理。
2. 掌握自动控制系统的分类和特点。
3. 了解常用自动控制器的原理和应用。
教学方法：1. 讲授：讲解自动控制的基本概念、原理和特点。
2. 互动：提问和回答，让学生积极参与课堂讨论。
3. 案例分析：分析实际应用中的自动控制系统，加深学生对知识的理解。
教学工具：1. 投影仪：用于展示PPT和视频资料。
2. 计算机：用于播放教学视频和演示软件。
二、教学内容和步骤1. 自动控制的基本概念（5分钟）讲解自动控制系统的定义、作用和基本组成。
通过举例说明自动控制系统在实际中的应用，如温度控制、速度控制等。
2. 自动控制系统的分类和特点（10分钟）讲解自动控制系统的分类，包括线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、开环系统和闭环系统等。
介绍各种系统的特点和应用场景。
3. 常用自动控制器原理和应用（15分钟）介绍常用的自动控制器，如PID控制器、模糊控制器、神经网络控制器等。
讲解其原理和结构，并通过实际案例分析其应用。
4. 课堂互动（5分钟）提问和回答环节，让学生积极参与课堂讨论，巩固所学知识。
可以设置一些选择题或简答题，检查学生对自动控制原理的理解。
三、教学评价1. 课堂表现：观察学生在课堂上的参与程度、提问和回答问题的积极性等。
2. 作业完成情况：检查学生作业的完成质量，包括答案的正确性、解题思路的清晰性等。
3. 课程测试：在课程结束后进行一次测试，检验学生对自动控制原理的掌握程度。
四、教学资源1.PPT：制作精美的PPT，用于展示教学内容和实例。
2. 视频资料：收集相关自动控制原理的教学视频，用于辅助讲解和演示。
3. 案例分析：挑选一些实际应用中的自动控制系统案例，用于分析和学习。
五、教学拓展1. 开展课后讨论：鼓励学生在课后组成学习小组，针对课堂所学内容进行讨论和交流。
2. 参观实验室：组织学生参观自动控制实验室，实地了解自动控制系统的原理和应用。
控制14教程详解
控制的基本原理
比较、调整
反馈
生产经营要 素的输入
生产经营 过程
生产经营结 果的输出
1. 系统是有因果关系链连接在一起的元素的集合。元 素之间这种关系就叫耦合。
2.为控制系统的运行, 必须确定系统的控制标准。
3. 通过对系统的调节来纠正输出与标准值之间的偏差 , 从而实现对系统控制。
8
四、控制的类型
接受并付诸实施。
具有指导职能，有助于提 同期 高工作人员的工作能力和 控制 自我控制能力。
①容易受管理者的时间、精力、业务 水平的制约；②应用范围较窄；③容 易形成心理上的对立，损害被控制
者的工作积极性和主动精神。
为进一步实施预先控制和 反馈 现场控制创造条件，实现 控制 良性循环。
在实施矫正措施之前，偏差业已产 生。
输入
前馈控制 预期问题
过程
同期控制 当发生问题时 对其进行纠正
输出
反馈控制 问题发生后
加以纠正
10
输入
现场控制 执行过程
输出
前馈控制
反馈控制
图17-1 前馈、现场、反馈控制示意图
图注:
信息流向
纠正措施
11
产品 工作 员工
规划与设计
加工制造
成品控制
目标管理
日常工作管理
危机管理
个人发展方向
职业训练
第十四章 控制与控制过程
控制是管理工作的最重要职能之一。它 是保证企业实际作业动态与计划相适应的管 理职能。控制工作的主要可以保证各项活动朝着达到组织目标的方向 进行，而且，控制系统越是完善，组织目标 就越易实现。
1
教学目标与要求
➢ 理解和掌握控制的必要性； ➢ 了解基本控制原理； ➢ 掌握控制的类型； ➢ 掌握控制的程序； ➢ 掌握有效控制应把握的原则。
《自动控制与模块机器人》 学历案
《自动控制与模块机器人》学历案一、什么是自动控制自动控制，简单来说，就是让一个系统在没有人直接干预的情况下，能够按照预定的规律或者目标运行。
想象一下，家里的空调能够根据室内温度自动调节制冷或制热，这就是自动控制在发挥作用。
自动控制系统通常由控制器、被控对象、执行机构和传感器这几个部分组成。
控制器就像是系统的大脑，它根据传感器收集到的信息，做出决策并下达指令。
被控对象则是要被控制的对象，比如空调中的制冷或制热系统。
执行机构负责执行控制器的指令，传感器则负责收集被控对象的状态信息，反馈给控制器。
自动控制的实现依赖于各种控制理论和技术。
比如，经典控制理论主要研究线性定常系统的控制问题，而现代控制理论则能够处理更复杂的非线性、时变系统。
在实际应用中，自动控制广泛存在于工业生产、交通运输、航空航天等众多领域。
二、模块机器人的概念模块机器人是一种由多个具有特定功能的模块组成，可以根据不同的任务需求，快速重组和配置的机器人系统。
这些模块通常具有标准化的接口和连接方式，使得它们能够方便地组合在一起。
每个模块都具备一定的感知、计算和执行能力，通过相互协作，共同完成复杂的任务。
模块机器人的优势在于其灵活性和可重构性。
与传统的一体式机器人相比，它能够更快速地适应不同的工作环境和任务要求。
比如，在灾难救援现场，如果需要机器人穿越狭窄的通道，就可以将其重组为较为细长的形态；如果需要搬运重物，又可以组合成具有强大力量的结构。
三、自动控制在模块机器人中的应用自动控制在模块机器人中起着至关重要的作用。
首先，在模块的组合和重构过程中，需要自动控制系统来协调各个模块的动作，确保它们能够准确地连接和协同工作。
其次，在模块机器人执行任务时，自动控制能够根据环境的变化和任务的要求，实时调整机器人的运动轨迹、速度和力量等参数。
例如，当模块机器人在不平坦的地面上行走时，自动控制系统会根据传感器反馈的地面信息，调整机器人的步态，以保持平衡和稳定。
《自动控制与模块机器人》 学历案
《自动控制与模块机器人》学历案在当今科技飞速发展的时代，自动控制和模块机器人这两个领域正以惊人的速度改变着我们的生活和工作方式。
从工业生产中的自动化流水线，到智能家居中的智能设备，再到医疗领域的精准手术机器人，自动控制和模块机器人的应用无处不在。
一、自动控制的基本原理自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象的某些物理量（如温度、压力、速度、位置等）按照预定的规律运行。
其基本原理包括反馈控制、前馈控制和复合控制等。
反馈控制是自动控制中最常见的一种方式。
它通过测量被控对象的输出，并将其与期望的输出进行比较，产生误差信号，然后利用控制器对误差信号进行处理，调整控制量，以使被控对象的输出逐渐接近期望的输出。
例如，在空调系统中，温度传感器测量室内温度，与设定的温度进行比较，控制器根据温差调整制冷或制热功率，从而实现室内温度的自动控制。
前馈控制则是根据干扰量的变化来直接调整控制量，以补偿干扰对被控对象的影响。
比如，在一个加热炉的温度控制系统中，如果能提前知道即将加入的物料的温度和数量，就可以通过前馈控制提前调整加热功率，减少温度波动。
复合控制则是将反馈控制和前馈控制结合起来，以提高控制系统的性能。
二、自动控制系统的组成一个典型的自动控制系统通常由控制器、被控对象、传感器和执行器等部分组成。
控制器是整个系统的核心，它负责根据输入的误差信号或控制指令，产生控制输出。
控制器可以是模拟的，也可以是数字的，常见的控制器有 PID 控制器、模糊控制器等。
被控对象是需要被控制的设备或过程，例如电机、锅炉、化学反应器等。
传感器用于测量被控对象的各种物理量，并将其转换为电信号或其他便于传输和处理的信号。
常见的传感器有温度传感器、压力传感器、位移传感器等。
执行器则根据控制器的输出信号，对被控对象施加控制作用。
例如，电动调节阀、电机驱动器、液压油缸等都是常见的执行器。
三、模块机器人的概念与特点模块机器人是一种由多个具有特定功能的模块组成，可以根据不同的任务需求，通过模块的组合和重构来实现不同功能和形态的机器人系统。
自动控制技术课件
4．按系统给定信号的特点分类 (1)恒值控制系统 控制过程中，如要求被控变量保持在一个状态不变，或者说系统的给定信号是恒定值，那么就需要采用恒值控制系统。 (2)程序控制系统 这类系统的给定值是变化的，且为一已知的时间函数，或按预定的规律变化。比如金属热处理的温度控制装置、数控机床的数控程序加工，就是这类系统的例子。 (3) 随动控制系统 这类系统的特点是给定信号不仅不断地变化，且这种变化不是预先规定好的，即给定信号是按未知规律变化的任意函数。随动系统的根本任务就是能够自动地、连续地、精确地复现给定信号的变化规律。如雷达天线伺服系统等都是随动系统。
二、 数学模型的类型
(c) 频率特性 频域模型主要描述系统的频率特性，应用频率特性可不需要进行大量的计算，就能比较迅速地分析系统中各个参量对系统性能的影响以及可直接研究闭环系统的稳定性，而不必求出系统的特征根。 将传递函数中 换成 ，即为频率特性。因此，如果已知各个环节的传递函数，就不需要逐一推导每个环节的频率特性，而是以 代替 求取。反之把频率特性中 换成 ，就可得到该环节或系统的传递函数。
二、 数学模型的类型
将上述微分方程进行拉氏变换，由于初始条件为零，即系统原来处于静止状态，外加输入是在零状态时才作用于系统，所以可得
二、 数学模型的类型
则这个系统的传递函数可写为
传递函数具有以下性质： (1) 传递函数描述系统本身的动态特性，与输入量大小及性质无关。传递函数分母是系统特征多项式，代表系统固有特性，分子代表输入量与系统间的变换关系。 (2) 传递函数不能描述系统的物理结构。对动态特性相似的不同物理系统可用同一类型的传递函数描述。 (3) 传递函数的量纲取决于输入量和输出量的量纲。 (4) 通常传递函数分母多项式的阶次高于分子多项式的阶次。分母多项式阶次为n的系统，称为n阶系统。 (5) 传递函数只适用于线性系统。满足线性叠加原理是线性系统的主要性质。
大学自动控制课件教案-Module13
Cauchy’s Theorem
• The encirclement of the poles and zeros of F(s) can be related to the encirclement of the origin in the F(s)-plane by Cauchy’s theorem, commonly known as the principle of the argument, which state:
u jv F (s) 2s 1 2( j ) 1
s-plane
u 2 1 v 2
F(s)-plane
Example 2.
s F (s) s2
D : s 1 j1 F ( s) D 1 j1 j1 1 j1 2
Ex. 4
பைடு நூலகம்Ex. 5
13.2 The application of Cauchy’s Theorem:
Nyquist Stability Criterion
13.2.1 F(s) — plane
Suppose: F (s) 1 GH (s) ( Investigate F(s) by GH(s) )
s F (s)
Mapping
(s z ) F (s) M (s p )
j i
sz M s p
j i
s z j s pi
We are concern with the mapping of contours in the s – plane by a function F(s) . A contour map is a contour or trajectory in one plane mapped or translated another plane by a relation F(s) . Since s is a complex variable: s = σ +jω, the function F(s) is itself complex; it can be defined as F(s) = u + jv and can be represented on a complex F(s) – plane with coordinates u and v.
自动控制原理电子教案新a
自动控制原理电子教案新a一、前言1. 课程简介：自动控制原理是研究自动控制系统的基本理论、方法和应用的学科。
本课程旨在使学生掌握自动控制的基本概念、原理和设计方法，为后续专业课程和实际工程应用打下基础。
2. 教学目标：通过本课程的学习，学生应能理解自动控制系统的组成、工作原理和性能评价，掌握常见控制器的设计方法和应用，具备分析解决自动控制问题的能力。
3. 教材及参考书：（1）教材：《自动控制原理》，作者：何贵林，出版社：清华大学出版社。
（2）参考书：《现代自动控制原理》，作者：陈玉祥，出版社：机械工业出版社。
二、课程内容1. 自动控制基本概念1.1 自动控制系统的定义1.2 自动控制系统的分类1.3 自动控制系统的性能指标2. 经典控制理论2.1 传递函数2.2 动态响应2.3 稳定性分析2.4 控制器设计方法3. 现代控制理论3.1 状态空间描述3.2 状态空间分析3.3 控制器设计三、教学方法与手段1. 讲授：通过课堂讲授，使学生掌握自动控制原理的基本概念、理论和方法。
2. 实验：安排实验课程，让学生亲手操作，加深对自动控制原理的理解。
3. 案例分析：分析实际工程案例，提高学生解决实际问题的能力。
4. 习题讨论：组织学生进行习题讨论，巩固所学知识。
四、课程考核1. 期末考试：包括选择题、填空题、计算题和简答题，考察学生对自动控制原理的基本知识和应用能力的掌握。
2. 实验报告：评估学生在实验过程中的操作能力和分析问题能力。
3. 课程设计：培养学生解决实际自动控制问题的能力。
五、课程安排1. 课时：共计32课时，其中理论课时24课时，实验课时8课时。
2. 授课安排：每课时45分钟，共8周完成。
3. 实验安排：第9周开始，共2个实验。
六、自动控制系统的数学模型6.1 系统的微分方程系统的输入输出关系系统的状态变量微分方程的建立6.2 系统的传递函数传递函数的定义传递函数的性质典型环节的传递函数6.3 状态空间描述状态空间的概念状态空间的建立状态空间的性质七、系统的稳定性分析7.1 稳定性概念系统稳定的定义稳定性的判定方法稳定性的性质7.2 劳斯-赫尔维茨定理定理的表述定理的应用定理的推广7.3 李雅普诺夫方法李雅普诺夫函数的定义李雅普诺夫第一定理李雅普诺夫第二定理八、系统的控制器设计8.1 概述控制器的作用控制器设计的目标控制器设计的步骤8.2 比例积分微分(PID)控制器PID控制器的原理PID控制器的参数调整PID控制器的应用8.3 模糊控制器模糊控制器的原理模糊控制器的结构模糊控制器的应用九、系统的准确度分析与校正9.1 系统准确度的概念系统准确度的定义系统准确度的评价指标系统准确度的改善方法9.2 系统校正的方法系统校正的目的系统校正的原理系统校正的方法9.3 系统校正的实例分析实例一：线性系统的校正实例二：非线性系统的校正实例三：时变系统的校正十、自动控制系统的应用10.1 工业控制系统工业控制系统的类型工业控制系统的应用工业控制系统的案例分析10.2 航空航天控制系统航空航天控制系统的特点航空航天控制系统的应用航空航天控制系统的案例分析10.3 生物医学控制系统生物医学控制系统的类型生物医学控制系统的应用生物医学控制系统的案例分析十一、非线性控制系统11.1 非线性系统的特点非线性系统的定义非线性系统的常见类型非线性系统分析的挑战11.2 非线性控制理论非线性系统的数学模型非线性系统的稳定性分析非线性控制策略11.3 非线性控制应用实例实例一：倒立摆控制系统实例二：控制系统实例三：电子电路控制系统十二、现代控制理论12.1 状态空间法的优势状态空间法的概念状态空间法的应用状态空间法与传统控制理论的比较12.2 李雅普诺夫理论李雅普诺夫理论的基本概念李雅普诺夫稳定性分析李雅普诺夫理论的应用12.3 鲁棒控制理论鲁棒控制的概念鲁棒控制的设计方法鲁棒控制在实际系统中的应用十三、自适应控制系统13.1 自适应控制的需求自适应控制的概念自适应控制的目标自适应控制的重要性13.2 自适应控制算法自适应控制算法的基本原理自适应控制算法的类型自适应控制算法的实现13.3 自适应控制的应用实例实例一：自适应PID控制实例二：自适应模糊控制实例三：自适应神经网络控制十四、自动控制系统的仿真14.1 仿真在自动控制系统中的应用仿真技术的概念仿真软件的选择与使用仿真在系统设计与分析中的重要性14.2 系统仿真的方法离散时间系统的仿真连续时间系统的仿真非线性系统的仿真14.3 仿真案例分析案例一：飞行器控制系统仿真案例二：工业过程控制系统仿真案例三：生物医学控制系统仿真十五、课程总结与展望15.1 自动控制原理课程总结课程主要内容的回顾重点和难点的梳理学生学习情况的评估15.2 自动控制技术的未来发展趋势新型控制理论的发展智能化控制的应用跨学科融合的创新15.3 课程实践与研究建议学生如何进行课程实践教师如何进行教学研究课程改进的方向和建议重点和难点解析：一、前言重点：自动控制原理的概念、意义和应用领域。
自动控制课件lecture
通过自动控制系统实现列车的自动驾 驶和自动停车等功能，提高列车运行 效率和安全性。
利用无人机技术实现快递配送、货物 运输等自动化，提高物流效率和便捷 性。
智能交通系统
利用自动化技术和设备实现交通信号 灯的智能控制、交通监控和应急管理 等，提高交通流畅度和安全性。
农业自动化
精准农业
通过自动控制系统对农田进行监 测和控制，实现精准施肥、灌溉 和病虫害防治等，提高农业生产
用于检测被控对象的输出信号 ，并将其转换为控制器可以识
别的信号。
执行器
根据控制器的输出信号，驱动 被控对象进行动作。
自动控制理论的发展历程
经典控制理论
20世纪40年代至60年代，主要研究单变量 线性定常系统的分析和设计方法。
现代控制理论
20世纪60年代末至70年代，主要研究多变 量线性时变系统的分析和设计方法。
现代自动控制技术及其发展趋势
智能控制技术
总结词
智能控制技术是现代自动控制领域的重要发展方向，通过引入人工智能、机器学 习等技术，实现对复杂系统的智能化控制。
详细描述
智能控制技术利用人工智能的方法，模拟人类的决策和推理过程，实现对系统的 优化控制。它能够处理不确定性和非线性问题，提高系统的自适应和自主决策能 力。常见的智能控制技术包括模糊控制、神经网络控制和专家系统等。
控制系统的基本性能要求
稳定性
控制系统应能够保持稳定运行，避免 因外部扰动或内部参数变化而出现失 稳。
准确性
控制系统应能够精确地跟踪输入信号， 减小跟踪误差。
快速性
控制系统应具有快速响应能力，能够 及时地跟踪输入信号的变化。
鲁棒性
控制系统应具有一定的鲁棒性，能够 在外部扰动或内部参数变化的情况下 保持稳定运行。
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Ex. 1 Ex. 2
No Margin
Small margin
Great margin
ψ3
Great margin
PM 180 GH ( ju )
Gain margin
• The increase in the system gain when phase = — 180º that will result in a marginally stable system with intersection of the -1+ j0 point on the Nyquist diagram.
K (T1s 1)(T2 s 1) GH ( s ) s3
GH ( s)
K (T5 s 1)(T6 s 1) s(T1s 1)(T2 s 1)(T3 s 1)(T4 s 1)
GH ( s)
K ( K 1) T1s 1
K GH ( s) ( K 1) T1s 1
K GH ( s) ( K 1) T1s 1
K GH ( s) s(Ts 1)
( K 1)
Instructional objectives:
At the end of this lecture students should be able to
• Determine the stability of a feedback control system by calculating the gain margin and phase margin of system
5. If the magnitude is less than unity and the critical point passes to the left, the system is stable; otherwise it is not.
14.2 Gain and Phase Margins
(2 ) 2 1 (3 ) 2 1
GH 90 tg 1 2 tg 13
when 180
1 6 6 M K 5
when
6 K 1 ( K 0.83) 5
The system is stable.
Conclusion ( P274: 1. ~ 5. )
Other Example
K GH ( s) s(T1s 1)(T2 s 1)
GH ( s)
K s(T1s 1)(T2 s 1)
K GH ( s) 2 s (Ts 1)
K (T1s 1) GH ( s) 2 s (T2 s 1)
(T1 T2 )
K GH ( s ) 3 s
Module 14
Nyquist Analysis and Relative Stability
(1 hours)
• Gain Margin • Phase Margin
14.1 Conditional Stability (条件稳定性）
Example 1 （P272)
M K
K F ( s) s(2s 1)(3s 1)
Phase margin
• The amount of phase shift of the GH(jω) at unity magnitude that will result in a marginally stable system with intersections of the - 1 + j0 point on the Nyquist diagram.