自动控制原理教案
2020-03-03 22:07:25 来源：范文大全收藏下载本文
自动控制原理教案
经典控制部分
......................................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 ..................................14 第五章
频率特性
12学时 ...........................................24 第六章
控制系统的校正与设计 8学时.................................33 第七章 非线性系统 8学时.............................................37 第八章 离散控制系统 8学时 ..........................................41 第一章
控制理论一般概念 3学时
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
[教案2-2] 1．主要内容：
本讲简要回顾拉普拉斯(Laplace)变换定义、拉普拉斯反变换、常用函数的拉普拉斯变换、拉普拉斯变换的基本运算定理等基本知识；主要介绍应用拉普拉斯变换法求解微分方程。 2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先简要回顾拉普拉斯(Laplace)变换定义、拉普拉斯反变换、介绍拉氏变换的特点及应用，重点介绍常用函数的拉普拉斯变换、拉普拉斯变换的基本运算定理等基本知识，强调本课程只要求记住结论，推导过程自己看参考书。
在介绍应用拉氏变换把线性微分方程的求解问题转换为代数方程运算和查表求解的问题时，公式可直接给出，不用推导，强调会应用公式灵活解决求解微分方程的问题。在讲解本讲过程中，应举1-2个例子说明求解微分方程问题的方法。
3．教学手段：
Powerpoint课件与黑板讲授相结合，以板书为主。 4．注意事项：
在讲授本讲时，应重点说明应用拉普拉斯变换法求解微分方程的方法。本讲不要求推导公式，但要求会应用公式。 5．课时安排：1学时。 6．作业：
书后P48，2-4
[教案2-3] 1．主要内容：
本讲主要介绍传递函数的定义、性质及传递函数的求取方法；典型环节及其传递函数。
2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先介绍描述控制系统的又一数学模型——传递函数，介绍其基本概念，给出传递函数公式，绘制动态结构图，说明输入量、输出量、传递函数三者之间的关系。在讲传递函数的性质时，一方面要重点说明传递函数的分母只取决于系统的结构和元件的参数等与外界无关的固有因素，因而它描述了系统的固有特性，而分子取决于系统与外界的关系，因而它描述了系统与外界的联系；另一方面要画图重点说明一定的传递函数与其零、极点分布图相对应，因此传递函数的零、极点分布图也表征了系统的动态性能。在讲求取传递函数的方法时，重点介绍直接计算法，其它两种方法以后陆续介绍。
本讲在介绍组成控制系统的典型环节及其传递函数时，首先说明环节的概念，用公式给出典型环节的数学表达式；然后，通过实例分别介绍各个典型环节，其中应重点介绍惯性环节、振荡环节，说明这两个环节的特点。
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，应强调掌握传递函数的定义、性质的重要性，在讲典型环节及其传递函数时，应联系实际，适当多举一些例子。 5．课时安排：2学时。 6．作业：
书后P48，2-5，
[教案2-4] 1．主要内容：
本讲主要介绍控制系统的函数方框图及其等效变换法则，要求学生熟练掌握函数方框图等效变换法则。另外还介绍反馈控制系统的传递函数，控制系统传递函数推导举例。
2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先介绍函数方框图的概念，表达内涵，说明比较点、引出点的特点，重点说明比较点的代数运算功能。
在讲授函数方框图变换法则时，应利用黑板进行公式推导，首先讲清串联法则、并联法则、反馈法则，与此同时，由于并联法则、反馈法则在应用中易混淆，应说明并联法则用于同向环节的并联运算、反馈法则用于回路的反馈运算；其次，在讲比较点、引出点等效移动时，画图进行讲解、推导，说明等效的含义，注意强调，两个相邻的比较点可互换位置，两个相邻的引出点也可互换位置，一个比较点和一个引出点即使相邻也不能简单地互换位置。最后，举1-2个例子说明函数方框图变换法则的灵活应用情况，总结出一些规律性的东西。即：回路的传递函数保持不变，前项通道的传递函数保持不变。
在讲授系统方框图举例时，通过实际的物理系统的例子说明绘制方框图的方法，重点说明如何由单个环节的数学模型，直接绘制出单个环节传递函数框图，然后根据信号传递方向，连线绘制出整个闭环系统的传递函数框图。
给出反馈控制系统的开环传递函数的概念，推导控制系统在控制输入量和扰动输入量的分别作用下的闭环传递函数计算公式，以及系统在控制输入量和扰动输入量的同时作用下的输出量计算公式 3．教学手段：
Powerpoint课件与黑板讲授相结合。 4．注意事项：
本讲是本门课的重点，在讲授本讲时，应强调掌握传递函数的等效变换法则的重要性，在讲传递函数等效变换时，应展开多讲几种解决问题的方法，使同学能灵活运用所学方法，解决各种等效变换问题。 5．课时安排：2学时。 6．作业：
书后P48，2-6，2-7
[教案2-5] 1．主要内容：
本讲主要介绍信号流图和梅逊公式反馈控制系统的传递函数 2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先在讲授信号流图和梅逊公式时，首先说明信号流图的概念，然后，讲清公式的应用注意事项，通过1-2个例子说明梅逊公式的具体应用。 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，应强调掌握反馈控制系统的开环传递函数、闭环传递函数和偏差传递函数的概念及推导方法，在讲授控制系统传递函数推导举例时，重点说明的是求取传递函数的方法。应使同学能灵活运用所学方法，解决各种实际控制系统求取传递函数问题。 5．课时安排：1学时。 6．作业：
书后P48，2-9 7．思考题：
书后P48，2-8，2-10
[教案2-6] 1．主要内容：
本讲为习题课。
本章讲述的内容很多,牵扯到数学和物理系统的一些理论知识,有些需要进一步回顾,有些需要加深理解，特别是对时间域和复频率域的多种数学描述方法，各种模型之间的对应转换关系，都比较复杂。学习和复习好这些基础理论，对下一步深入讨论自控理论具体方法至关重要。 2．讲授重点： 先作本章小结（5条）
基本概念归纳
1）在零初始条件下，线性定常系统输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换值比，定义为线性定常系统的传递函数。传递函数表达了系统内在特性，只与系统的结构、参数有关，而与输入量或输入函数的形式无关。
2）一般控制系统由若干个典型环节构成，常用的典型环节有比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、振荡环节和延迟环节等。
3）组成方框图的基本符号有四种，即信号线、比较点、方框和引出点。
4）环节串联后总的传递函数等于各个环节传递函数的乘积。环节并联后总的传递函数是所有并联环节传递函数的代数和。
5）在使用梅逊增益公式时，注意增益公式只能用在输入节点和输出节点之间。 传递函数、方框图、梅森公式例 3．教学手段：
黑板讲授，动画演示。 4．课时安排：2学时。
小结：
1．数学模型是描述系统（或元件）动态特性的数学表达式，是从理论上进行分析和设计系统的主要依据。
2．本章介绍了线性定常系统的四种数学模型：微从方程、传递函数、动态结构科和信号流图。微分方程是描述自动控制系统动态特性的基本方法。传递函数是经典控制理论中与更为重要的模型，它是从对微分方程在零初始条件下进行拉氏变换得到的，在工程上用得最多。 动态结构图是传递函数的一种图解形式，它能直观、形象地表示出系统各组成部分的结构及系统中信号的传递与变换关系，有助于对系统的分析研究。对于较为复杂的系统，应用信号流图更为简便，用梅逊公式可直接求出系统中任意两个变量之间的关系。
3．一个复杂的系统可以分解为为数不多的典型环节，常见的基本环节有比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、振荡环节和时滞环节等，熟悉各典型环节数学表达式和响应特性骨助于对复杂系统的动态分析和设计。
4．对于同一个系统，不同的数学模型只是不同的表示方法。因此，系统动态结构图与其它数学模型有着密切的关系。由系统微分方程经过拉氏变换得到的变换方程，可能很容易画出动态结构图。通过动态结构图的等效变换可求出系统的传递函数。对于同一个系统，动态结构图不是唯一的，但由不同的动态结构图得到的传递函数是相同的。
5．一般地讲，系统传递函数多是指闭环系统输出量对输入量的传递函数，但严格说来，系统传递函数是个总称，它包括几种典型传递函数：开环传递函数、闭环传递函数、在给定和扰动作用下的闭环传递函数及由给定的扰动引起的误差传递函数。 第三章
控制系统的时域分析 10学时
1．本章的教学要求
1）使学生掌握控制系统时域分析方法。
2）使学生掌握控制系统稳定性的基本概念、稳定的充分必要条件； 3）使学生学会利用代数稳定性判据判断系统稳定性； 4）掌握稳态误差计算; 5）掌握一阶系统的单位阶跃响应、单位斜坡响应、单位脉冲响应的分析方法; 6）掌握二阶系统的单位阶跃响应、单位脉冲响应的分析方法; 7）掌握二阶系统的单位阶跃响应性能指标计算；
2．本章讲授的重点
本章讲授的重点是稳定性的基本概念、稳定的充分必要条件，应用代数稳定性判据、稳态误差计算、一阶系统的单位阶跃响应、二阶系统的单位阶跃响应性能指标计算。 3．本章的教学安排
本章讲授10个学时，安排了5个教案。
引入MATLAB基础，学生通过亲自动手实验，掌握一阶系统、二阶系统的单位阶跃响应性能与系统参数之间的关系。
[教案3-1] 1．主要内容：
1）时域分析法的基本概念、时间响应概念及其组成 2）典型输入信号
1）控制系统稳定性的基本概念； 2）控制系统稳定的条件； 2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先介绍时域分析的基本概念及其特点，通过二阶系统对单位阶跃输入的响应过程曲线来介绍瞬态响应和稳态响应概念，从而使学生了解时间响应的含义。重点介绍常用的典型输入信号，包括脉冲信号、阶跃信号、斜坡信号和抛物线信号，说明信号的特点、在实际中选用典型输入信号的方法。
强调控制系统稳定性是系统正常工作的首要条件，然后介绍系统稳定性的基本概念、稳定的条件及判定方法。重点介绍控制系统稳定的条件并做简单的推导，得出系统稳定的充分必要条件为系统特征方程无正实根的结论。
在授课过程中，通过讲解各种形式的例题，使学生充分理解并熟练掌握。 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，注意讲清楚控制系统稳定的充要条件的推导； 5．课时安排： 2学时。 6．作业：
书后p88习题3-1,3-2。
[教案3-2] 1．主要内容：
1）控制系统稳定性的判定方法； 2）代数稳定性判据。 2．讲授方法及讲授重点：
在介绍代数稳定性判据时，说明代数稳定性判据的依据是系统特征方程是否只具有负实根或负实部的复数根，强调特征方程的根与方程式的系数有关，从而引出代数稳定性判据。重点介绍代数稳定性判据中的劳斯（Routh）稳定性判据和霍尔维茨（Hurwitz）稳定性判据。要求学生熟练掌握判据的应用方法，掌握其充要条件的具体应用过程及其特点。 3．教学手段：
Powerpoint课件与黑板讲授相结合。
4．注意事项：
在授课过程中，通过讲解各种形式的例题，使学生充分理解并熟练掌握。
劳斯（Routh）稳定性判据中劳斯表的排列方法及各种特殊情况的处理；霍尔维茨（Hurwitz）稳定性判据中霍尔维茨行列式的排列方法。 5．课时安排： 2学时。
6．作业：p88 3-11(1)(3),3-12
[教案3-3] 1．主要内容：
1）稳态误差和稳态偏差的基本概念； 2）偏差传递函数和稳态偏差计算方法； 3）稳态偏差系数的求取。
4) 一阶系统的单位阶跃响应、单位斜坡响应、单位脉冲响应；
2．讲授方法及讲授重点：
本讲主要介绍控制系统准确性的评价指标，即稳态误差。稳态误差的大小与很多因素有关，本节讨论稳态误差与系统的结构、参数及输入信号的关系。引出
一、二阶系统的讨论。
在讲解过程中，首先介绍稳态误差及稳态偏差的基本概念，并介绍二者之间的关系；然后，重点介绍稳态误差的计算方法，包括对于不同系统的位置偏差系数、速度偏差系数、加速度偏差系数以及根据这些系数求取稳态偏差的计算方法，并总结出稳态偏差的计算表。
在讲解过程中，通过讲解例题使学生熟练掌握各种系统的稳态偏差计算，尤其要求学生熟悉稳态偏差的计算表，并会运用表进行计算。
介绍一阶系统的典型响应、相关结论。
在介绍一阶系统的时间响应时，首先强调所谓一阶系统就是指前面章节所介绍的惯性环节，本讲就是分析惯性环节在不同输入信号作用下的时间响应。重点介绍一阶系统在单位阶跃信号、单位斜坡信号和单位脉冲信号作用下系统的时间响应特点，并对各自响应过程的性能指标和参数的求取进行详细介绍和分析。 3．教学手段：
Powerpoint课件、Matlab绘图与黑板讲授相结合。 4．注意事项：
在讲授本讲时，注意讲清稳态偏差的计算方法，强调会运用稳态偏差的计算表进行稳态偏差计算。 5．课时安排： 2学时。 6．作业：
书后p88习题3-5(1)(3),3-7,3-8。 7．思考题：
[教案3-4] 1．主要内容：
1)典型二阶系统的响应分析。 2) 时域指标与频域指标的关系 2．讲授方法及讲授重点：
在介绍二阶系统的时间响应时，强调评价二阶系统的性能，最常用的输入信号就是单位阶跃信号。因此，本讲主要分析在不同阻尼比的情况下，二阶系统的单位阶跃响应过程，分为临界阻尼（ζ=1）、过阻尼（ζ>1）、欠阻尼（0
根据二阶系统的单位阶跃响应公式及各个特征量的概念，重点介绍欠阻尼情况下二阶系统瞬态响应指标的具体计算方法，对公式做简单推导，并通过例题讲解性能指标的具体应用。
再将二阶系统的时域指标与频域指标进行分析比较，使学生熟练掌握系统的结构参数对系统频域、时域性能指标的影响。 3．教学手段：
Powerpoint课件、Matlab绘图与黑板讲授相结合。 4．注意事项：
在讲授本讲时，应利用 Matlab进行绘图演示，简单说明应用Matlab绘制控制系统时间响应图形的方法，主要是说明利用计算机可对各种系统进行计算机仿真。
5．课时安排： 2学时。 6．作业：
书后p88.习3-4,3-8。 7．思考题：
结合实验利用 Matlab绘制一阶系统、二阶系统的单位阶跃响应曲线。
[教案3-5] 1．主要内容：
1）介绍两种改善系统性能的途径
2）高阶系统的时间响应分析—引出主导极点法： 2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先针对二阶系统给出改善动态性能的方法，比例微分控制、测速反馈控制的构成、性质、作用。
比较两种改善系统性能的途径优缺点、使用时的注意事项。
最后介绍高阶系统的时间响应分析方法时，使学生了解分析高阶系统时间响应的方法和过程。并介绍主导极点的概念。
3．教学手段：
Powerpoint课件、Matlab绘图与黑板讲授相结合。 4．注意事项：
利用 Matlab进行绘图演示，观看当系统的参数改变时，曲线的变化情况，增强同学的感性认识。 5．课时安排： 2学时。 6．作业：
书后p89 3-9 ,3-10 7．思考题：
结合实验利用 Matlab绘制二阶系统的单位阶跃响应曲线，观查当系统的参数改变时，曲线的变化情况。
第四章 根轨迹分析
1, 本章的教学要求
1) 掌握开环根轨迹增益Kg（或开环比例系数K）变化时系统闭环根轨迹的绘制方法。会利用幅值方程求特定的K值; 2）了解闭环零、极点的分布和系统阶跃响应的定性关系及系统根轨迹分析的基本思路; 3）掌握0根轨迹、参变量根轨迹及非最小相位根轨迹绘制的基本思路和方法; 2.本章讲授的重点
本章讲授的重点根轨迹的基本概念、控制系统根轨迹的绘制方法以及根轨迹法在控制系统分析中的应用。 （1） 根轨迹的基本概念; （2） 根轨迹方程; （3） 绘制系统轨迹的基本法则; （4） 控制系统的根轨迹分析
（5） 附加开环零极点对根轨迹的影响 3．本章的教学安排
本章讲授6个学时，安排了3个教案，实验学时2学时。
[教案4-1] 1．主要内容：
1）根轨迹的基本概念; 2）根轨迹方程; 3）绘制系统根轨迹的基本法则
2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先介绍根轨迹的基本概念及其特点，通过二阶系统根轨迹绘制的例使学生了解根轨迹的含义。重点介绍根轨迹方程，了解开环根轨迹增益Kg（或开环比例系数K）变化与系统闭环根轨迹的关联，引出根轨迹的绘制法则。 在授课过程中，通过讲解各种形式的例题，使学生充分理解并熟练掌握。 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，注意讲清楚控制系统根轨迹的基本概念； 5．课时安排： 2学时。 6．作业：
书后P111 4-1 4-4
[教案4-2] 1．主要内容：
1）绘制系统根轨迹基本法则续; 2）控制系统的根轨迹分析 2．讲授方法及讲授重点：
本讲继续介绍根轨迹的基本绘制法则，通过控制系统根轨迹绘制的实例使学生掌握常规根轨迹绘制的一般规律。了解闭环零、极点的分布和系统阶跃响应的定性关系及系统根轨迹分析的基本思路。
在授课过程中，通过讲解各种形式的例题，使学生熟悉概略根轨迹的绘制，掌握利用根轨迹分析方法。 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，注意讲清楚根轨迹分析的基本思路； 5．课时安排： 2学时。 6．作业：P111 4-7 4-8
[教案4-3] 1．主要内容：
1）零度根轨迹、参变量根轨迹; 2）附加开环零极点对根轨迹的影响 2．讲授方法及讲授重点：
本讲介绍零度根轨迹、参变量根轨迹的绘制方法，使学生掌握零度根轨迹、参变量根轨迹绘制的一般规律。了解零度根轨迹、参变量根轨迹分析的基本思路。 在授课过程中，使学生熟悉广义根轨迹的绘制方法。 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，注意讲清楚根轨迹分析的基本思路； 5．课时安排： 2学时。
6．作业：P111 4-10
第五章
频率特性
12学时
1．本章的教学要求
1) 掌握频率特性的基本概念、性质及求取方法；
2) 掌握典型环节及系统的频率特性图—奈奎斯特(Nyquist)图的绘制方法； 3) 掌握典型环节及系统的对数频率特性图—波德图(Bode)图的绘制方法； 4) 使学生掌握频率特性的实验测定法。
5）使学生掌握奈奎斯特（Nyquist）稳定性判据应用； 6）掌握对数频率稳定性判据（Bode判据）应用；
7）掌握相对稳定性的基本概念，相位裕量Υ、幅值裕量Kg定义、计算、在Nyquist图与Bode图上的表示。
2．本章讲授的重点
本章讲授的重点是掌握频率特性的基本概念、求取方法；奈奎斯特(Nyquist)图的绘制方法；波德图(Bode)图的绘制方法;利用频率特性分析控制系统。 3．本章的教学安排
本课程讲授12个学时，安排了8个教案，实验2个学时。
[教案5-1] 1．主要内容：
1） 频率响应和频率特性 2） 频率特性的求取方法 3） 频率特性的表示方法 2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先给出频率响应定义，用图说明线性系统稳态响应曲线的特点，由此引出幅频特性、相频特性的概念，然后给出频率特性的定义及数学表达式，利用图及公式说明幅频特性、相频特性、实频特性、虚频特性的关系。
在介绍频率特性的求取方法时，首先说明频率特性一般有三种求法：利用定义求取、根据系统的传递函数来求取、通过实验测得。在此主要说明和推导根据系统的传递函数来求取的方法, 第三种方法后面介绍。
在介绍频率特性的表示方法时，首先说明频率特性的表示方法主要有如下几种：幅频特性和相频特性图、幅相频率特性图、对数频率特性图、对数幅相频率特性图、实频特性图和虚频特性图，分别简单介绍各自特点，然后强调本章重点介绍幅相频率特性(Nyquist)图和对数频率特性(Bode)图。
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，频率特性概念比较抽象，同学不好理解，但此概念在本门课中又非常重要，可以联系实际举几个简单例子说明此概念。 5．课时安排：1学时。 6．作业：
书后P158，习题5-2。 7．思考题：
书后P158，习题5-1（单）。
[教案5-2]
1．主要内容：
1）频率特性图—奈奎斯特(Nyquist)图 2）典型环节的奈奎斯特图
3）系统的开环频率特性的奈奎斯特图
（1）系统的开环频率特性的奈奎斯特图的绘制 （2）系统的开环奈奎斯特图的形状特点 2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先通过绘图介绍Nyquist图的形成过程及绘制方法，然后强调奈奎斯特图能显示出G(jω)矢量端点轨迹上的频率分布，一个图上就表示了整个频率域的频率特性，同时给出了幅频、相频、实频、虚频特性信息，这对于了解系统的动态特性比较直观。
在讲解典型环节的奈奎斯特图时，将比例环节、积分环节、理想微分环节、惯性环节、振荡环节、一阶微分环节、二阶微分环节分别作介绍，其中重点介绍惯性环节、振荡环节的曲线特征与参数的关系。
在讲解系统的开环频率特性的奈奎斯特图时，重点介绍开环奈奎斯特图的形状特点，讲授概略绘制开环奈奎斯特图的要求和方法。 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，简单说明应用Matlab绘制控制系统图形的方法，主要是说明利用计算机可以绘制很复杂的奈奎斯特图形，但是手工绘制，仅仅可以获得简单、粗略的图形。 5．课时安排：2学时。 6．作业：
书后P159,习题5-3(奈奎斯特图) 7．思考题：
同学自己上机利用 Matlab绘制系统的奈奎斯特图。
[教案5-3] 1．主要内容：
1）对数频率特性图—波德(Bode)图 2）典型环节的波德图 3）系统的开环波德图
（1）系统的开环波德图的绘制 （2）系统的开环波德图的特点 4）最小和非最小相位系统 2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先强调Bode图是系统频率特性的又一图解法，由对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线共同构成，其坐标采用对数坐标系。
在讲解典型环节的波德图时，将比例环节、积分环节和理想微分环节、惯性环节和一阶微分环节、振荡环节和二阶微分环节分别进行对比，分组介绍，其中重点介绍积分环节、惯性环节和振荡环节的曲线特征。
在讲解系统的开环波德图时，重点介绍开环波德图的绘制方法、步骤，强调对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线的对应关系。
介绍最小和非最小相位系统的概念及两种系统的各自特点。 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，应注意引导学生在熟练掌握典型环节波德图的基础上，提高对系统特性进行分析的能力。简单说明应用Matlab绘制控制系统图形的方法。 5．课时安排：2学时。 6．作业：
书后P159,习题5-3(波德图) 7．思考题：
同学自己上机利用 Matlab绘制系统的波德图。
[教案5-4] 1．主要内容：
奈奎斯特（Nyquist）稳定性判据。 2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先介绍代数稳定性判据与频率稳定性判据的区别，强调频率稳定性判据是对系统在频率域的稳定性分析，该判据是用系统开环频率特性的Nyquist图来判别闭环系统的稳定性，是判别系统稳定性的图解法，因此是一种几何判据。
本讲重点介绍频率稳定性判据的描述及其应用。要求学生熟练掌握该判据的应用。
在授课过程中，通过讲解各种形式的例题，使学生充分理解并熟练掌握。 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，注意讲清楚奈奎斯特判据的基本原理及判断稳定性的方法是本节的难点。对于其原理，只要求了解奈奎斯特判据N=Z-P的来源即可，不要求推导。但判断稳定性的方法要熟练掌握。通过掌握不同型次、阶次系统奈奎斯特图的规律，找出起点、终点和几个特征点，该方法就不难了。 5．课时安排： 2学时。 6．作业：
书后P159，习题5-7 7．思考题：
[教案5-5] 1．主要内容：
对数频率稳定性判据（Bode判据） 2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先强调对数频率稳定性判据是由系统的开环对数频率特性来判定闭环系统的稳定性，通过介绍Nyquist图与Bode图的对应关系，引出对数频率稳定性判据（Bode判据）。
本讲重点介绍对数频率稳定性判据在不同情况下的描述及应用。要求学生熟练掌握该判据的应用方法。
在授课过程中，通过讲解各种形式的例题，使学生充分理解并熟练掌握。 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，注意讲清楚对数频率稳定性判据的基本原理及判断稳定性的方法是本节的难点。对于其原理，只要求了解Nyquist图与Bode图的对应关系，从而由Nyquist判据推导出Bode判据。 5．课时安排： 1学时。 6．作业：
书后P159，习题5-8 7．思考题：
[教案5-6] 1．主要内容：
相对稳定性的基本概念，相位裕量、幅值裕量定义、计算、在Nyquist图与Bode图上的表示。 2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先介绍系统相对稳定性的基本概念，强调稳定性裕量是衡量一个闭环稳定系统稳定程度的指标，常用的有相位裕量和幅值裕量。
本讲重点介绍相位裕量和幅值裕量的计算方法以及在Nyquist图与Bode图上的表示。同时系统地分析影响系统稳定性的主要因素。
在授课过程中，通过讲解各种形式的例题，使学生充分理解并熟练掌握。 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，注意讲清楚相位裕量和幅值裕量的计算方法以及在Nyquist图与Bode图上的表示是本节的难点，通过例题讲解使学生熟练掌握。 5．课时安排： 1学时。 6．作业：
书后P160，习题5-10 7．思考题：
书后P160，习题5-13.
[教案5-7] 1．主要内容：
1）简介闭环系统的频率特性。 2）频域分析
（1）确定系统频率域与时间域指标的关系； （2）最小相位系统频率特性的估算；
2．讲授方法及讲授重点：
本节首先介绍闭环系统的频率特性
在讲解闭环系统的频率特性时，简单介绍开环频率特性与闭环系统的频率特性的关系，对照图形简单介绍用等幅值轨迹(等M圆图)、等相角轨迹(等N圆图)绘制闭环频率特性图的方法，重点说明闭环频率特性的性能指标：谐振峰值Mr和谐振频率ωr、截止频率ωb和截止带宽等频率域性能指标。
其次介绍频率域与时间域指标的关系，最小相位系统性能指标的估算。 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，应对照图形简介本讲内容，便于同学接受。 5．课时安排：1学时。 6．作业：
书后P159,习题5-5 7．思考题：
[教案5-8] 1．主要内容：习题课 2．讲授方法及讲授重点：
本节首先小结频率特性 其次举例。 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，应对照图形简介本讲内容，便于同学接受。
5．课时安排：2学时。
第六章
控制系统的校正与设计 8学时
1．本章的教学要求
1）使学生了解控制系统校正的目的，校正的方法与分类； 2）使学生掌握常用校正装置及其特性； 3）掌握频域法串联校正方法和作用； 4）介绍反馈校正方法和作用； 5）控制系统校正举例。 2．本章讲授的重点
本章讲授的重点是校正的目的，系统中串联相位超前校正、相位滞后校正的方法和作用。 3．本章的教学安排
本课程讲授8个学时，安排了3个教案。实验2个学时。
[教案6-1] 1．主要内容：
1）校正的目的，校正的方法与分类 2）常用校正装置及其特性 2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先讲明校正的目的、校正的方法，说明常用的校正方法有以下两种方法，频率校正法与根轨迹校正法。在介绍校正装置分类时，说明依考虑问题的角度不同，有多种分类结果，按其在系统内的联接方式不同可分为串联校正与并联校正；按实现校正作用的装置来分，可分为电气的、机械的、液压的．气动的等，对电气校正环节来说又可分为有源校正与无源校正等。
在讲授常用校正装置及其特性时，首先介绍分别介绍比例调节器(P调节器)，积分调节器(I调节器)，微分调节器(D调节器)，比例微分调节器(PD调节器)，比例积分调节器(PI调节器)，比例积分微分调节器(PID调节器)各自的特点和作用。
其次介绍常用电网络中无源校正装置，重点说明相位超前校正环节、相位滞后校正环节串联到系统中的作用。
简单介绍有源校正装置。 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，应重点介绍相位超前校正环节、相位滞后校正环节的特点和作用。
5．课时安排： 2学时。 6．作业：
书后P201,习题6-2。 7．思考题：
书后P202,习题6-3。
[教案6-2]
1．主要内容：
本讲主要介绍频率校正法串联校正。
通过串联相位超前校正举例、串联相位滞后校正举例，说明串联校正的应用。 2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先简要介绍串联校正概念。在讲授串联校正时，通过系统中串联相位超前校正、介绍控制系统中采用串联校正的方法和步骤。此部分重点介绍串联相位超前校正、串联相位滞后实例。
然后介绍反馈校正的概念，反馈的特点和作用。 3．教学手段：
Powerpoint课件与黑板讲授相结合，以板书为主。 4．注意事项：
在讲授本讲时，应重点说明串联相位超前校正的方法和作用，应把概念讲清楚。
5．课时安排： 2学时。 6．作业：
书后P202，习题6-6,习题6-7。
[教案6-3] 1．主要内容：
本讲主要介绍根轨迹校正方法、实例。
2．讲授方法及讲授重点：
通过串联相位超前校正举例、串联相位滞后校正举例，说明串联校正在根轨迹法中的应用。
3．教学手段：
Powerpoint课件与黑板讲授相结合，以板书为主。 4．注意事项：
在讲授本讲时，应重点把概念、例题讲清楚。 5．课时安排： 2学时。 6．作业：
书后P202，习题6-4。
第七章 非线性系统 8学时
1．本章的教学要求
1) 正确理解相平面图的基本概念; 2) 熟练掌握线性二阶系统的典型相平面图及其特征; 3) 会画出非线性系统工程的典型相平面图; 4) 熟练掌握运用相平面法分析非线性系统的动态响应的方法和步骤; 5) 正确理解描述函数的基本思想和应用条件; 6) 准确理解描述函数的定义、物理意义和求法，并会灵活应用; 7) 熟练掌握继电特性和死区特性等典型非线性环节的描述函数; 8) 熟练掌握运用描述函数法分析非线性系统的稳定性和自振荡的方法和步骤，并能正确计算自振荡的振幅和频率; 2．本章讲授的重点
本章讲授非线性系统的两种基本分析方法：描述函数法和相平面法。描述函数法是一种频域法，基于谐波线性化的近似分析方法。其基本思想是首先通过描述函数将非线性环节线性化，然后应用线性系统的频率法对系统进行分析，重点介绍描述函数法分析稳定性和自振荡的一般步骤。相平面法是分析非线性系统的一种时域法、图解法，不仅可以分析系统的稳定性和自振荡（极限环），而且可以求取系统的动态响应。这种方法只运用于二阶系统，但由于一般高阶系统又可用二阶系统来近似，因此相平面法也可用于高阶系统的近似分析，重点介绍相平面法分析非线性系统的一般步骤。 3．本章的教学安排
本章讲授8个学时，安排了3个教案、习题课。
[教案7-1] 1．主要内容：
典型非线性特性；
非线性系统与线性系统的本质差别；
相平面概念；
2．讲授方法及讲授重点：
由控制系统在不同程度上都存在着非线性。讲明有些系统可通过在工作点附近线性化来处理，但当系统包含有本质非线性特性时，就不能用线性化的方法处理。
本讲先介绍线性系统和非线性系统的特点、本质差别，引出典型非线性特性。指出非线性系统不满足叠加原理。
再介绍分析非线性系统的相平面法、描述函数法。
引出相平面概念。 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，注意讲清楚非线性系统与线性系统的本质差别； 5．课时安排： 2学时。 6．作业：
书后p229 7-1
[教案7-2] 1．主要内容：
相平面法--相轨迹的绘制（倾线法）；特殊相轨迹(奇点与极限环)；相平面分析举例； 2．讲授方法及讲授重点：
相平面法是分析非线性系统的一种时域法、图解法，不仅可以分析系统的稳定性和自振荡（极限环），而且可以求取系统的动态响应。这种方法只运用于二阶系统，但由于一般高阶系统又可用二阶系统来近似，因此相平面法也可用于高阶系统的近似分析，重点介绍相平面法分析非线性系统的一般步骤。
本讲先介绍非线性系统的相平面法中相轨迹的绘制（倾线法），讨论相轨迹绘制的特点和注意事项。
其次介绍非线性系统的奇点与极限环及具体求法。 最后进行相平面分析举例。 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，注意讲清楚非线性系统的奇点与极限环； 5．课时安排： 2学时。 6．作业：
书后p230 7-6,7-8
[教案7-3] 1．主要内容：
描述函数法（另一种工程上常用方法）；典型非线性环节描述函数； 描述函数分析举例； 2．讲授方法及讲授重点： 描述函数法是一种频域法，基于谐波线性化的近似分析方法。其基本思想是首先通过描述函数将非线性环节线性化，然后应用线性系统的频率法对系统进行分析，重点介绍描述函数法分析稳定性和自振荡的一般步骤。
本讲先介绍非线性系统的另一种工程上常用方法--描述函数法，讲明描述函数法是一种近视分析法。
其次介绍非线性系统典型非线性环节描述函数及具体求法。 最后进行描述函数分析举例。 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，注意讲清楚典型非线性环节描述函数及具体求法； 5．课时安排： 2学时。 6．作业：
书后p231 7-13
第八章 离散控制系统 8学时
1, 本章的教学要求
1) 使学生掌握采样过程与采样定理; 2）使学生掌握Z变换和Z反变换; 3）使学生掌握离散控制系统的数学模型; 4）使学生掌握离散控制系统的性能分析。 2.本章讲授的重点
本章首先介绍离散系统概念，讲授的重点是采样过程与采样定理，Z传递函数（脉冲传递函数）定义，开环系统的Z传递函数和闭环系统的Z传递函数的求取，系统稳定性的判别，稳态误差的计算等。 3．本章的教学安排
本课程讲授8个学时，安排了5个教案。
[教案8-1] 1．主要内容：
1） 采样控制系统知识要点 2） 离散信号 3） 离散系统概念 2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先介绍采样控制系统的特点，分析设计采样控制系统采用的数学工具是Z变换，采用的数学模型是差分方程和脉冲传递函数。给出离散信号定义，用图说明一般采样控制系统（也称脉冲控制系统）、数字控制系统（也称计算机控制系统）构成。
介绍离散控制系统在实际控制系统中得到了广泛应用的主要原因。 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，应注意由于内容较多，学时少，有些地方需要简介。 5．课时安排： 1学时。 6．作业：
书后p279 8-1
[教案8-2] 1．主要内容：
1） 采样过程与采样定理 2） 保持器
2．讲授方法及讲授重点：
在介绍采样过程与采样定理时，首先给出采样过程、采样开关的定义，利用图解释采样过程，由此推出离散模拟信号的数学表达式。然后，分析采样信号的频谱，说明连续信号x(t)的频谱|X(jω)|是单一的连续频谱，而离散信号x*(t)的频谱则是以采样角频率ωs为周期的无穷多个频谱之和，由此引出重要定理：采样定理。
强调由于实际系统需要用连续信号控制被控对象进行工作，因此需要信号保持，把离散脉冲序列较准确的转变为连续信号，说明常用的保持器有零阶保持器和一阶保持器等。
举例说明采样定理。 3．教学手段：
Powerpoint课件与黑板讲授相结合。 4．注意事项：
利用图解释采样过程，采样过程和采样定理应重点讲解。 5．课时安排： 2学时。 6．思考题：
一个具有标志的轮子，每转一圈用时2秒。采用摄像机拍摄轮子的运动状况，拍摄周期取多大时轮子的运动不失真？
解：轮子的旋转周期T2，角频率2T。
由采样定理：拍摄频率S2max2
可见：S2TS2max22 TS221
拍摄周期TS1秒时轮子的运动不失真。
[教案8-3] 1．主要内容：
1） Z变换和Z反变换 2．讲授方法及讲授重点：
在介绍Z变换和Z反变换时，应说明Z变换是分析离散控制系统的重要数学工具，利用Z变换可将描述离散系统动态过程的差分方程转换为代数方程，使求解过程大为简化。给出Z变换的定义、计算方法，简介Z变换的基本定理、Z反变换等内容。说明实际应用中可以查常用时间函数的Z变换和拉普拉斯变换式表。
3．教学手段：
Powerpoint课件与黑板讲授相结合。 4．注意事项：
说明Z变换是分析离散控制系统的重要数学工具，可将描述离散系统动态过程的差分方程转换为代数方程，使求解过程大为简化。 5．课时安排： 2学时。 6．作业：
书后p279 8-2，8-3单号
[教案8-4] 1．主要内容：
离散控制系统的数学模型
（1）差分方程 （2）脉冲传递函数 2．讲授方法及讲授重点：
本讲首先简介差分方程 ，重点介绍脉冲传递函数，给出脉冲传递函数定义，说明开环系统的脉冲传递函数的求法。在介绍闭环系统的Z传递函数时，需要指出，闭环离散系统Z传递函数不能从GB(s)和GBe(s)求Z变换得来，因为采样开关在闭环系统中位置不同，其闭环Z传递函数的结果也是不一样的。举例说明采样开关在闭环系统中具有不同配置时的Z变换函数Xo(z)， 然后解释说明闭环离散系统典型结构图及输出采样信号的Z变换函数Xo(z)表。 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，应通过举例重点讲清开环系统的Z传递函数和闭环系统的Z传递函数的求取等。 5．课时安排： 1学时。 6．作业：
书后p279 8-7
[教案8-5] 1．主要内容：
离散控制系统的性能分析 2．讲授方法及讲授重点：
在讲解离散控制系统的性能分析时，首先说明离散系统的性能分析主要包括三个方面内容：系统稳定性、动态性能和稳态性能。
在介绍离散控制系统的稳定性分析时，应画图说明s平面到z平面的映射关系，给出线性离散系统稳定的充分条件，重点讲解离散系统的劳斯稳定性判据。
在讲解离散控制系统的瞬态响应（动态性能分析）时，应画图说明闭环极点分布与瞬态响应的关系。在介绍离散控制系统的稳态误差时，分析不同型别单位反馈离散系统在三种输入信号作用下的稳态误差，总结出稳态误差表，应解释说明稳态误差表的应用，学生应会利用表进行稳态误差的计算。 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，应通过举例重点讲清系统稳定性的判别，稳态误差的计算等。
5．课时安排： 2学时。 6．作业：
书后p279 8-10，8-11 7．思考题：
书后p279 8-13
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