自动化

山东科技大学

《自动控制原理》（经典部分）课程教案

授 课 时 间： 2007－2008学年第1学期 适用专业、班级： 自动化2005－1、2、3班 编 写 人： 高宏岩

编 写 时 间： 2007 年 7 月

授课学时：4学时 第一章 绪 论 章节名称 第一节 自动控制的基本原理与方式 第二节 自动控制系统示例 第三节 自动控制系统的分类 第四节 对自动控制系统的基本要求 1、 了解自动控制的发展概况。 2、 掌握反馈控制系统的组成及原理。 3、 会根据实际控制系统绘制系统方框图。 4、 掌握控制系统性能的基本要求。 重点：开环控制和闭环控制的区别；反馈控制系统的组成及原理；控制系统性能的基本要求；根据实际控制系统绘制系统方框图。 难点：根据实际控制系统绘制系统方框图。 1、 教学方法：课堂讲授法为主；用精讲多问的方法突出重点，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。 备注 教学目的和要求 重 点 难 点 教学方法 教学手段 一、 引入 （约3min） 从“自动化技术发展历史和应用”引入新课。 二、 教学进程设计 （一）自动控制的发展和应用 （约5min） 1、 应用：广泛应用于工业、农业、航空、航天、核反应等领域。 2、 发展 （1） 经典控制理论 （2） 现代控制理论 （二）自动控制的基本概念 （约42min） 1、 人工控制和自动控制：以水箱控制系统为例讲解 2、 基本概念：（举例） （1） 自动控制：在无人直接参加的情况下，利用控制装置使被控对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程。 教学进程（2） 被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。 设计（含教（3） 被控量：表现于控制对象或系统输出端，要求实现自动控制学内容、教的物理量。 学设计、时（4） 给定值：作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预间分配等） 定功能或预定输出的物理量。 （5） 扰动：所有影响控制量对被控量按要求进行正常控制的因素 （6） 自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成 3、 组成和方框图 以水箱控制系统为例，绘制系统方框图。 4、 反馈控制系统基本原理：用偏差纠正偏差。 （三）基本控制方式 （约30min） 1、 开环控制：只有前向通道而无反馈通道，输出信号不影响控制作用。特点是输出不影响输入、控制精度不高。以电机转速控制系统为例讲解按扰动控制和按给定控制两种开环控制方式。 2、 闭环控制：既有前向通道又有反馈通道，输出信号影响控制作用。特点是输出影响输入、控制精度高，因为可能发生超调和振荡，所以稳

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定性很重要。以电机转速控制系统为例讲解闭环控制方式。 3、 复合控制：开环控制和闭环控制的结合。（举例） （四）自动控制系统示例 （约50min） 1、 函数记录仪（例题） 2、 电阻炉温度控制系统（练习） 3、 锅炉液位控制系统（例题） （五）自动控制系统的分类 （约35min） 1、按给定量变化规律分类： （1） 定值控制系统：输出量以一定的精度等于给定值，而给定值一般不变化。（举例） （2） 程序控制系统：自动控制系统的被控制量是根据预先编好的程序进行控制的系统。（举例） （3） 随动控制系统：输出量能以一定精度跟随给定值变化的系统。（举例） 2、按主要元件特性分类： （1） 线性控制系统； （2） 非线性控制系统。 3、 按系统参数是否随时间变化 （1） 定常系统：控制系统的参数在工作过程中不随时间而变化。 （2） 时变系统：控制系统的参数在工作过程中随时间而变化。 4、 按信号是否连续 （1） 连续系统：如果系统中传递的信号都是时间的连续函数，则称为连续系统。 （2） 离散系统：系统中只要有一个传递的信号是时间上断续的信号，则称为离散系统。 举例分析系统的分类。 （六）对自动控制系统的基本要求 （约30min） 1、 基本要求： （1） 稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。 （2） 准确性：说明系统的稳态（静态）品质。 （3） 快速性：系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程的形式和快慢。 2、 典型外作用：阶跃函数、脉冲函数、斜坡函数、正弦函数。 三、 小结： （约3min） 1、 基本控制方式和组成原理 2、 自动控制系统的分类 3、 对自动控制系统的基本要求 4、 示例 四、 作业： （约2min） P16习题1-1，1-5 2

授课学时：2学时 第二章 控制系统的数学模型 章节名称 第二章 第一节 控制系统的时域数学模型 教学目的和要求 重 点 难 点 教学方法 教学手段 1、掌握控制系统微分分程的建立和求解方法。 2、了解非线性微分分程线性化思想。 重点：控制系统微分分程的建立；线性定常微分方程求解。 难点：非线性微分分程线性化。 备注 1、教学方法：课堂讲授法为主；用分析举例的方法突出重点、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。 一、 引入 （约3min） 从“建模重要性”引入新课。 二、 教学进程设计 （一）建立微分方程的一般步骤 （约5min） 1、 确定输入和输出量 2、 依据定律列写原始方程 3、 消去中间变量，写出微分方程 4、 将微分方程标准化。 （二）线性元件的微分方程 （约30min） 例题讲解： （1） RLC网络 （2） 电枢控制直流电动机 （3） 弹簧－质量－阻尼器系统。 （三）控制系统微分方程建立 （约15min） 教学进程1、由系统原理图画出系统方框图或直接确定系统中各个基本部件； 设计（含教2、列写各方框图的输入输出之间的微分方程，要注意前后连接的两个元学内容、教件中，后级元件对前级元件的负载效应； 学设计、时3、消去中间变量 间分配等） 以速度控制系统为例讲解。 （四）线性系统特性 （约10min） 叠加原理： （1）可叠加性 （2）齐次性 （五）线性定常微分方程的求解 （约15min） 1、直接求解法（举例） 2、拉氏变换法（举例） （六）非线性微分方程的线性化 （约15min） 介绍小偏差法，讲解例题。 三、 小结： （约5min） 1、 微分方程的建立 2、 线性定常微分方程的求解 作业： P70习题2-4(a) （约2min） 3

授课学时：2学时 章节名称 教学目的和要求 重 点 难 点 教学方法 教学手段 第二章 第二节 控制系统的复数域数学模型 1、掌握传递函数的定义和求取。 2、了解传递函数的极点和零点对输出的影响。 重点：传递函数的定义和求取。 难点：传递函数的极点和零点对输出的影响。 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。 备注 一、 引入 （约3min） 从“分析求解微分方程给系统分析和设计带来不方便”引入新课。 二、 教学进程设计 （一）传递函数的定义 （约15min） 定义：零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。（从用拉氏变换求解RC网络的输出引出传递函数的定义） G(s)?C(s) R(s) 例题讲解。 （二）传递函数的性质 （约15min） 1、传递函数是以复变量s为自变量的有理真分式。 2、传递函数只与系统本身结构参数有关，与外作用的形式无关。 3、传递函数与微分方程有相通性。 4、传递函数是系统单位脉冲响应的拉氏变换。 （三）传递函数的局限性 教学进程1、只适用于线性定常系统。 设计（含教2、只描述系统的外部特性。 学内容、教3、不能反映非零初始条件下的全部响应。 学设计、时（四） 传递函数的零点和极点 （约10min） 间分配等） 1、零、极点表达式 b(s?z1)(s?z2)?(s?zm)G(s)?0?K*a0(s?p1)(s?p2)?(s?pn)?(s?z)im?(s?p)jj?1i?1n zi__零点，pj__极点。 2、时间常数表达式 22bm(?1s?1)(?2s?2??2s?1)?(?is?1) G(s)?an(T1s?1)(T22s2?2?T2s?1)?(Tjs?1)（五）传递函数的极点和零点对输出的影响 （约20min） 传递函数的极点就是微分方程的特征根，极点形成系统的模态，零点不形成系统的模态，但影响各模态所占的比重。 举例分析。

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