自動控制原理-第二章教案

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型1本章的教學要求1）使學生了解控制系統(tǒng)建立數(shù)學模型的方法和步驟；2）使學生掌握傳遞函數(shù)的定義、性質及傳遞函數(shù)的求取方法；3）掌握典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)；4）掌握用方框圖等效變換的基本法則求系統(tǒng)傳遞函數(shù)的方法。5) 掌握公式法求傳遞函數(shù)。2本章講授的重點 本章講授的重點是傳遞函數(shù)的定義、性質；用方框圖等效變換的法則或公式法求系統(tǒng)傳遞函數(shù)的方法。3本章的教學安排 本課程講授8個學時，習題課2學時，安排了5個教案。教案2-11主要內容：本講介紹數(shù)學模型定義、特點、種類；主要介紹控制系統(tǒng)最基本的數(shù)學模型微分方程，通過舉例說明列寫物理系統(tǒng)微分方程的基本方

2、法和步驟。線性化方法。2講授方法及講授重點：本講首先給出數(shù)學模型定義，說明為什么建立數(shù)學模型；介紹建立數(shù)學模型的依據(jù)；介紹數(shù)學模型特點，重點說明相似系統(tǒng)的概念、模擬的概念，由此引出今后研究控制系統(tǒng)問題都是在典型數(shù)學模型基礎上進行的；介紹數(shù)學模型種類，說明本課程主要介紹微分方程、傳遞函數(shù)、頻率特性形式數(shù)學模型。其次，本講主要以電氣系統(tǒng)為例介紹列寫物理系統(tǒng)微分方程的方法和步驟，通過例題的詳細講解，使學生了解微分方程是描述控制系統(tǒng)動態(tài)性能的數(shù)學模型，熟悉在分析具體的物理系統(tǒng)過程中，要綜合應用所學過的物理、力學、機械等學科的知識。非線性程度不嚴重或在一定范圍內可近似為線性系統(tǒng)的非線性系統(tǒng)可化為線性系統(tǒng)

3、處理-線性化方法。3教學手段：Powerpoint課件與黑板講授相結合。4注意事項： 在講授本講時，應說明列寫物理系統(tǒng)微分方程的依據(jù)是系統(tǒng)本身的物理特性，本課程主要講授物理系統(tǒng)微分方程列寫的方法和步驟。5課時安排：2學時。6作業(yè)：p47 2-17思考題：復習拉普拉斯(Laplace)變換教案2-21主要內容：本講簡要回顧拉普拉斯(Laplace)變換定義、拉普拉斯反變換、常用函數(shù)的拉普拉斯變換、拉普拉斯變換的基本運算定理等基本知識；主要介紹應用拉普拉斯變換法求解微分方程。2講授方法及講授重點：本講首先簡要回顧拉普拉斯(Laplace)變換定義、拉普拉斯反變換、介紹拉氏變換的特點及應用，重點介紹

4、常用函數(shù)的拉普拉斯變換、拉普拉斯變換的基本運算定理等基本知識，強調本課程只要求記住結論，推導過程自己看參考書。在介紹應用拉氏變換把線性微分方程的求解問題轉換為代數(shù)方程運算和查表求解的問題時，公式可直接給出，不用推導，強調會應用公式靈活解決求解微分方程的問題。在講解本講過程中，應舉1-2個例子說明求解微分方程問題的方法。3教學手段：Powerpoint課件與黑板講授相結合，以板書為主。4注意事項：在講授本講時，應重點說明應用拉普拉斯變換法求解微分方程的方法。本講不要求推導公式，但要求會應用公式。5課時安排：1學時。6作業(yè)：書后P48，2-4教案2-31主要內容：本講主要介紹傳遞函數(shù)的定義、性質及

5、傳遞函數(shù)的求取方法；典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)。2講授方法及講授重點：本講首先介紹描述控制系統(tǒng)的又一數(shù)學模型傳遞函數(shù)，介紹其基本概念，給出傳遞函數(shù)公式，繪制動態(tài)結構圖，說明輸入量、輸出量、傳遞函數(shù)三者之間的關系。在講傳遞函數(shù)的性質時，一方面要重點說明傳遞函數(shù)的分母只取決于系統(tǒng)的結構和元件的參數(shù)等與外界無關的固有因素，因而它描述了系統(tǒng)的固有特性，而分子取決于系統(tǒng)與外界的關系，因而它描述了系統(tǒng)與外界的聯(lián)系；另一方面要畫圖重點說明一定的傳遞函數(shù)與其零、極點分布圖相對應，因此傳遞函數(shù)的零、極點分布圖也表征了系統(tǒng)的動態(tài)性能。在講求取傳遞函數(shù)的方法時，重點介紹直接計算法，其它兩種方法以后陸續(xù)介紹。本講在介紹組成

6、控制系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)時，首先說明環(huán)節(jié)的概念，用公式給出典型環(huán)節(jié)的數(shù)學表達式；然后，通過實例分別介紹各個典型環(huán)節(jié)，其中應重點介紹慣性環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)，說明這兩個環(huán)節(jié)的特點。3教學手段：Powerpoint課件與黑板講授相結合。4注意事項： 在講授本講時，應強調掌握傳遞函數(shù)的定義、性質的重要性，在講典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)時，應聯(lián)系實際，適當多舉一些例子。5課時安排：1學時。6作業(yè)：書后P48，2-5，教案2-41主要內容：本講主要介紹控制系統(tǒng)的函數(shù)方框圖及其等效變換法則，要求學生熟練掌握函數(shù)方框圖等效變換法則。另外還介紹反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導舉例。2講授方法及講授重點：

7、 本講首先介紹函數(shù)方框圖的概念，表達內涵，說明比較點、引出點的特點，重點說明比較點的代數(shù)運算功能。在講授函數(shù)方框圖變換法則時，應利用黑板進行公式推導，首先講清串聯(lián)法則、并聯(lián)法則、反饋法則，與此同時，由于并聯(lián)法則、反饋法則在應用中易混淆，應說明并聯(lián)法則用于同向環(huán)節(jié)的并聯(lián)運算、反饋法則用于回路的反饋運算；其次，在講比較點、引出點等效移動時，畫圖進行講解、推導，說明等效的含義，注意強調，兩個相鄰的比較點可互換位置，兩個相鄰的引出點也可互換位置，一個比較點和一個引出點即使相鄰也不能簡單地互換位置。最后，舉1-2個例子說明函數(shù)方框圖變換法則的靈活應用情況，總結出一些規(guī)律性的東西。即：回路的傳遞函數(shù)保持不

8、變，前項通道的傳遞函數(shù)保持不變。在講授系統(tǒng)方框圖舉例時，通過實際的物理系統(tǒng)的例子說明繪制方框圖的方法，重點說明如何由單個環(huán)節(jié)的數(shù)學模型，直接繪制出單個環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)框圖，然后根據(jù)信號傳遞方向，連線繪制出整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖。給出反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的概念，推導控制系統(tǒng)在控制輸入量和擾動輸入量的分別作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)計算公式，以及系統(tǒng)在控制輸入量和擾動輸入量的同時作用下的輸出量計算公式3教學手段：Powerpoint課件與黑板講授相結合。4注意事項： 本講是本門課的重點，在講授本講時，應強調掌握傳遞函數(shù)的等效變換法則的重要性，在講傳遞函數(shù)等效變換時，應展開多講幾種解決問題的方法，使同

9、學能靈活運用所學方法，解決各種等效變換問題。5課時安排：2學時。6作業(yè)：書后P48，2-6，2-7教案2-51主要內容：本講主要介紹信號流圖和梅森公式反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2講授方法及講授重點：本講首先在講授信號流圖和梅森公式時，首先說明信號流圖的概念，然后，講清公式的應用注意事項，通過1-2個例子說明梅森公式的具體應用。3教學手段：Powerpoint課件與黑板講授相結合。4注意事項： 在講授本講時，應強調掌握反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)、閉環(huán)傳遞函數(shù)和偏差傳遞函數(shù)的概念及推導方法，在講授控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導舉例時，重點說明的是求取傳遞函數(shù)的方法。應使同學能靈活運用所學方法，解決各種實際控制系

10、統(tǒng)求取傳遞函數(shù)問題。5課時安排：2學時。6作業(yè)：書后P48，2-97思考題：書后P48，2-8，2-10教案2-61主要內容：本講為習題課。本章講述的內容很多,牽扯到數(shù)學和物理系統(tǒng)的一些理論知識,有些需要進一步回顧,有些需要加深理解，特別是對時間域和復頻率域的多種數(shù)學描述方法，各種模型之間的對應轉換關系，都比較復雜。學習和復習好這些基礎理論，對下一步深入討論自控理論具體方法至關重要。2講授重點：先作本章小結（5條）基本概念歸納1） 在零初始條件下，線性定常系統(tǒng)輸出量的拉普拉斯變換與輸入量的拉普拉斯變換值比，定義為線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)表達了系統(tǒng)內在特性，只與系統(tǒng)的結構、參數(shù)有關，而與

11、輸入量或輸入函數(shù)的形式無關。2） 一般控制系統(tǒng)由若干個典型環(huán)節(jié)構成，常用的典型環(huán)節(jié)有比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)和延遲環(huán)節(jié)等。3） 組成方框圖的基本符號有四種，即信號線、比較點、方框和引出點。4） 環(huán)節(jié)串聯(lián)后總的傳遞函數(shù)等于各個環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的乘積。環(huán)節(jié)并聯(lián)后總的傳遞函數(shù)是所有并聯(lián)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的代數(shù)和。5） 在使用梅森增益公式時，注意增益公式只能用在輸入節(jié)點和輸出節(jié)點之間。傳遞函數(shù)、方框圖、梅森公式例3教學手段：黑板講授，動畫演示。小結：1數(shù)學模型是描述系統(tǒng)（或元件）動態(tài)特性的數(shù)學表達式，是從理論上進行分析和設計系統(tǒng)的主要依據(jù)。2本章介紹了線性定常系統(tǒng)的四種數(shù)學模型：微從方程

12、、傳遞函數(shù)、動態(tài)結構科和信號流圖。微分方程是描述自動控制系統(tǒng)動態(tài)特性的基本方法。傳遞函數(shù)是經典控制理論中與更為重要的模型，它是從對微分方程在零初始條件下進行拉氏變換得到的，在工程上用得最多。 動態(tài)結構圖是傳遞函數(shù)的一種圖解形式，它能直觀、形象地表示出系統(tǒng)各組成部分的結構及系統(tǒng)中信號的傳遞與變換關系，有助于對系統(tǒng)的分析研究。對于較為復雜的系統(tǒng)，應用信號流圖更為簡便，用梅遜公式可直接求出系統(tǒng)中任意兩個變量之間的關系。3一個復雜的系統(tǒng)可以分解為為數(shù)不多的典型環(huán)節(jié)，常見的基本環(huán)節(jié)有比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)和時滯環(huán)節(jié)等，熟悉各典型環(huán)節(jié)數(shù)學表達式和響應特性骨助于對復雜系統(tǒng)的動態(tài)分析和設計。4對于同一個系統(tǒng)，不同的數(shù)學模型只是不同的表示方法。因此，系統(tǒng)動態(tài)結構圖與其它數(shù)學模型有著密切的關系。由系統(tǒng)微分方程經過拉氏變換得到的變換方程，