自動(dòng)控制原理-第二章教案

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1本章的教學(xué)要求1）使學(xué)生了解控制系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型的方法和步驟；2）使學(xué)生掌握傳遞函數(shù)的定義、性質(zhì)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(diǎn) 本章講授的重點(diǎn)是傳遞函數(shù)的定義、性質(zhì)；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(xué)安排 本課程講授8個(gè)學(xué)時(shí)，習(xí)題課2學(xué)時(shí)，安排了5個(gè)教案。教案2-11主要內(nèi)容：本講介紹數(shù)學(xué)模型定義、特點(diǎn)、種類(lèi)；主要介紹控制系統(tǒng)最基本的數(shù)學(xué)模型微分方程，通過(guò)舉例說(shuō)明列寫(xiě)物理系統(tǒng)微分方程的基本方

2、法和步驟。線(xiàn)性化方法。2講授方法及講授重點(diǎn)：本講首先給出數(shù)學(xué)模型定義，說(shuō)明為什么建立數(shù)學(xué)模型；介紹建立數(shù)學(xué)模型的依據(jù)；介紹數(shù)學(xué)模型特點(diǎn)，重點(diǎn)說(shuō)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(wèn)題都是在典型數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的；介紹數(shù)學(xué)模型種類(lèi)，說(shuō)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(xué)模型。其次，本講主要以電氣系統(tǒng)為例介紹列寫(xiě)物理系統(tǒng)微分方程的方法和步驟，通過(guò)例題的詳細(xì)講解，使學(xué)生了解微分方程是描述控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的數(shù)學(xué)模型，熟悉在分析具體的物理系統(tǒng)過(guò)程中，要綜合應(yīng)用所學(xué)過(guò)的物理、力學(xué)、機(jī)械等學(xué)科的知識(shí)。非線(xiàn)性程度不嚴(yán)重或在一定范圍內(nèi)可近似為線(xiàn)性系統(tǒng)的非線(xiàn)性系統(tǒng)可化為線(xiàn)性系統(tǒng)

3、處理-線(xiàn)性化方法。3教學(xué)手段：Powerpoint課件與黑板講授相結(jié)合。4注意事項(xiàng)： 在講授本講時(shí)，應(yīng)說(shuō)明列寫(xiě)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(xiě)的方法和步驟。5課時(shí)安排：2學(xué)時(shí)。6作業(yè)：p47 2-17思考題：復(fù)習(xí)拉普拉斯(Laplace)變換教案2-21主要內(nèi)容：本講簡(jiǎn)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(yùn)算定理等基本知識(shí)；主要介紹應(yīng)用拉普拉斯變換法求解微分方程。2講授方法及講授重點(diǎn)：本講首先簡(jiǎn)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(diǎn)及應(yīng)用，重點(diǎn)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(yùn)算定理等基本知識(shí)，強(qiáng)調(diào)本課程只要求記住結(jié)論，推導(dǎo)過(guò)程自己看參考書(shū)。在介紹應(yīng)用拉氏變換把線(xiàn)性微分方程的求解問(wèn)題轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程運(yùn)算和查表求解的問(wèn)題時(shí)，公式可直接給出，不用推導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)會(huì)應(yīng)用公式靈活解決求解微分方程的問(wèn)題。在講解本講過(guò)程中，應(yīng)舉1-2個(gè)例子說(shuō)明求解微分方程問(wèn)題的方法。3教學(xué)手段：Powerpoint課件與黑板講授相結(jié)合，以板書(shū)為主。4注意事項(xiàng)：在講授本講時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)說(shuō)明應(yīng)用拉普拉斯變換法求解微分方程的方法。本講不要求推導(dǎo)公式，但要求會(huì)應(yīng)用公式。5課時(shí)安排：1學(xué)時(shí)。6作業(yè)：書(shū)后P48，2-4教案2-31主要內(nèi)容：本講主要介紹傳遞函數(shù)的定義、性質(zhì)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(diǎn)：本講首先介紹描述控制系統(tǒng)的又一數(shù)學(xué)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，說(shuō)明輸入量、輸出量、傳遞函數(shù)三者之間的關(guān)系。在講傳遞函數(shù)的性質(zhì)時(shí)，一方面要重點(diǎn)說(shuō)明傳遞函數(shù)的分母只取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和元件的參數(shù)等與外界無(wú)關(guān)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(guān)系，因而它描述了系統(tǒng)與外界的聯(lián)系；另一方面要畫(huà)圖重點(diǎn)說(shuō)明一定的傳遞函數(shù)與其零、極點(diǎn)分布圖相對(duì)應(yīng)，因此傳遞函數(shù)的零、極點(diǎn)分布圖也表征了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在講求取傳遞函數(shù)的方法時(shí)，重點(diǎn)介紹直接計(jì)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(shí)，首先說(shuō)明環(huán)節(jié)的概念，用公式給出典型環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)表達(dá)式；然后，通過(guò)實(shí)例分別介紹各個(gè)典型環(huán)節(jié)，其中應(yīng)重點(diǎn)介紹慣性環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)，說(shuō)明這兩個(gè)環(huán)節(jié)的特點(diǎn)。3教學(xué)手段：Powerpoint課件與黑板講授相結(jié)合。4注意事項(xiàng)： 在講授本講時(shí)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)掌握傳遞函數(shù)的定義、性質(zhì)的重要性，在講典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)時(shí)，應(yīng)聯(lián)系實(shí)際，適當(dāng)多舉一些例子。5課時(shí)安排：1學(xué)時(shí)。6作業(yè)：書(shū)后P48，2-5，教案2-41主要內(nèi)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(xué)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(dǎo)舉例。2講授方法及講授重點(diǎn)：

7、 本講首先介紹函數(shù)方框圖的概念，表達(dá)內(nèi)涵，說(shuō)明比較點(diǎn)、引出點(diǎn)的特點(diǎn)，重點(diǎn)說(shuō)明比較點(diǎn)的代數(shù)運(yùn)算功能。在講授函數(shù)方框圖變換法則時(shí)，應(yīng)利用黑板進(jìn)行公式推導(dǎo)，首先講清串聯(lián)法則、并聯(lián)法則、反饋法則，與此同時(shí)，由于并聯(lián)法則、反饋法則在應(yīng)用中易混淆，應(yīng)說(shuō)明并聯(lián)法則用于同向環(huán)節(jié)的并聯(lián)運(yùn)算、反饋法則用于回路的反饋運(yùn)算；其次，在講比較點(diǎn)、引出點(diǎn)等效移動(dòng)時(shí)，畫(huà)圖進(jìn)行講解、推導(dǎo)，說(shuō)明等效的含義，注意強(qiáng)調(diào)，兩個(gè)相鄰的比較點(diǎn)可互換位置，兩個(gè)相鄰的引出點(diǎn)也可互換位置，一個(gè)比較點(diǎn)和一個(gè)引出點(diǎn)即使相鄰也不能簡(jiǎn)單地互換位置。最后，舉1-2個(gè)例子說(shuō)明函數(shù)方框圖變換法則的靈活應(yīng)用情況，總結(jié)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(xiàng)通道的傳遞函數(shù)保持不變。在講授系統(tǒng)方框圖舉例時(shí)，通過(guò)實(shí)際的物理系統(tǒng)的例子說(shuō)明繪制方框圖的方法，重點(diǎn)說(shuō)明如何由單個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，直接繪制出單個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)框圖，然后根據(jù)信號(hào)傳遞方向，連線(xiàn)繪制出整個(gè)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(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的概念，推導(dǎo)控制系統(tǒng)在控制輸入量和擾動(dòng)輸入量的分別作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)計(jì)算公式，以及系統(tǒng)在控制輸入量和擾動(dòng)輸入量的同時(shí)作用下的輸出量計(jì)算公式3教學(xué)手段：Powerpoint課件與黑板講授相結(jié)合。4注意事項(xiàng)： 本講是本門(mén)課的重點(diǎn)，在講授本講時(shí)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)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(shí)，應(yīng)展開(kāi)多講幾種解決問(wèn)題的方法，使同

9、學(xué)能靈活運(yùn)用所學(xué)方法，解決各種等效變換問(wèn)題。5課時(shí)安排：2學(xué)時(shí)。6作業(yè)：書(shū)后P48，2-6，2-7教案2-51主要內(nèi)容：本講主要介紹信號(hào)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(diǎn)：本講首先在講授信號(hào)流圖和梅森公式時(shí)，首先說(shuō)明信號(hào)流圖的概念，然后，講清公式的應(yīng)用注意事項(xiàng)，通過(guò)1-2個(gè)例子說(shuō)明梅森公式的具體應(yīng)用。3教學(xué)手段：Powerpoint課件與黑板講授相結(jié)合。4注意事項(xiàng)： 在講授本講時(shí)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)掌握反饋控制系統(tǒng)的開(kāi)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(dǎo)方法，在講授控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導(dǎo)舉例時(shí)，重點(diǎn)說(shuō)明的是求取傳遞函數(shù)的方法。應(yīng)使同學(xué)能靈活運(yùn)用所學(xué)方法，解決各種實(shí)際控制系

10、統(tǒng)求取傳遞函數(shù)問(wèn)題。5課時(shí)安排：2學(xué)時(shí)。6作業(yè)：書(shū)后P48，2-97思考題：書(shū)后P48，2-8，2-10教案2-61主要內(nèi)容：本講為習(xí)題課。本章講述的內(nèi)容很多,牽扯到數(shù)學(xué)和物理系統(tǒng)的一些理論知識(shí),有些需要進(jìn)一步回顧,有些需要加深理解，特別是對(duì)時(shí)間域和復(fù)頻率域的多種數(shù)學(xué)描述方法，各種模型之間的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系，都比較復(fù)雜。學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)好這些基礎(chǔ)理論，對(duì)下一步深入討論自控理論具體方法至關(guān)重要。2講授重點(diǎn)：先作本章小結(jié)（5條）基本概念歸納1） 在零初始條件下，線(xiàn)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(xiàn)性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)表達(dá)了系統(tǒng)內(nèi)在特性，只與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)有關(guān)，而與

11、輸入量或輸入函數(shù)的形式無(wú)關(guān)。2） 一般控制系統(tǒng)由若干個(gè)典型環(huán)節(jié)構(gòu)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(hào)有四種，即信號(hào)線(xiàn)、比較點(diǎn)、方框和引出點(diǎn)。4） 環(huán)節(jié)串聯(lián)后總的傳遞函數(shù)等于各個(gè)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(shí)，注意增益公式只能用在輸入節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)之間。傳遞函數(shù)、方框圖、梅森公式例3教學(xué)手段：黑板講授，動(dòng)畫(huà)演示。小結(jié)：1數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)（或元件）動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，是從理論上進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要依據(jù)。2本章介紹了線(xiàn)性定常系統(tǒng)的四種數(shù)學(xué)模型：微從方程

12、、傳遞函數(shù)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)科和信號(hào)流圖。微分方程是描述自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的基本方法。傳遞函數(shù)是經(jīng)典控制理論中與更為重要的模型，它是從對(duì)微分方程在零初始條件下進(jìn)行拉氏變換得到的，在工程上用得最多。 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及系統(tǒng)中信號(hào)的傳遞與變換關(guān)系，有助于對(duì)系統(tǒng)的分析研究。對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，應(yīng)用信號(hào)流圖更為簡(jiǎn)便，用梅遜公式可直接求出系統(tǒng)中任意兩個(gè)變量之間的關(guān)系。3一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)可以分解為為數(shù)不多的典型環(huán)節(jié)，常見(jiàn)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(shí)滯環(huán)節(jié)等，熟悉各典型環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)表達(dá)式和響應(yīng)特性骨助于對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)。4對(duì)于同一個(gè)系統(tǒng)，不同的數(shù)學(xué)模型只是不同的表示方法。因此，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與其它數(shù)學(xué)模型有著密切的關(guān)系。由系統(tǒng)微分方程經(jīng)過(guò)拉氏變換得到的變換方程，