自动控制原理电子教案 第1章

自动控制原理电子教案第一章：绪论1.1 自动控制的概念解释自动控制的定义强调自动控制在现代工业和日常生活中的重要性1.2 自动控制系统的分类介绍开环控制系统和闭环控制系统解释数字控制系统和模拟控制系统的区别1.3 自动控制系统的性能指标介绍稳定性、线性、收敛性和鲁棒性等性能指标解释这些指标对系统性能的影响第二章：反馈控制系统2.1 反馈控制系统的组成介绍控制器、执行器和传感器的功能和作用2.2 反馈控制系统的类型解释正反馈和负反馈的区别和应用场景2.3 控制器的设计方法介绍PID控制器和模糊控制器的原理和方法第三章：线性系统的状态空间分析3.1 状态空间表示法介绍状态空间的概念和数学表示方法3.2 状态方程和输出方程推导状态方程和输出方程的求解方法3.3 线性系统的可控性和可观测性解释可控性和可观测性的概念和判断方法第四章：非线性控制系统分析4.1 非线性系统的分类介绍线性与非线性的区别和常见的非线性特性4.2 非线性方程的求解方法解释求解非线性方程的数值方法和解析方法4.3 非线性控制系统的稳定性分析介绍李雅普诺夫理论和Lyapunov 函数的应用第五章：现代控制理论5.1 现代控制理论的概念解释现代控制理论的背景和发展5.2 鲁棒控制理论介绍鲁棒控制的概念和设计方法5.3 自适应控制理论解释自适应控制的概念和应用场景第六章：控制系统的设计方法6.1 系统设计的基本原则介绍控制系统设计中的稳定性、准确性和快速性原则6.2 控制器设计方法详细讲解PID控制器、模糊控制器、自适应控制器的设计步骤和注意事项6.3 系统仿真与实验介绍使用MATLAB等工具进行控制系统仿真的方法强调实验在控制系统教学和工程应用中的重要性第七章：线性调节器的设计7.1 调节器的作用与分类解释调节器的作用以及比例、积分、微分调节器的特点7.2 调节器的设计方法介绍Ziegler-Nichols方法等经典调节器设计方法7.3 调节器的参数整定讲解如何通过观察系统响应来整定调节器参数第八章：系统辩识8.1 系统辩识的基本概念解释系统辩识的目的和方法8.2 输入输出数据采集介绍如何采集系统的输入输出数据8.3 系统模型的建立与参数估计讲解如何根据采集到的数据建立数学模型并进行参数估计第九章：数字控制系统9.1 数字控制系统的组成介绍数字控制系统的硬件和软件组成部分9.2 数字控制算法详细讲解离散PID控制、模糊控制等数字控制算法9.3 数字控制器的实现介绍如何实现数字控制器，包括硬件实现和软件实现第十章：自动控制系统的应用10.1 工业自动化讲解自动控制系统在工业生产中的应用案例10.2 家居自动化介绍自动控制系统在智能家居中的应用案例10.3 汽车自动化探讨自动控制系统在现代汽车工业中的应用案例重点和难点解析重点环节：1. 自动控制的概念和分类2. 反馈控制系统的组成和类型3. 状态空间分析方法4. 非线性控制系统分析5. 现代控制理论6. 控制系统的设计方法和步骤7. 调节器的设计和参数整定8. 系统辩识的方法和模型建立9. 数字控制系统的组成和算法实现10. 自动控制系统的应用案例难点解析：1. 自动控制的概念和分类：理解自动控制的基本原理和不同类型控制系统的特点。

第一章绪论一、自动控制技术自动控制技术被大量应用于工农业生产、医疗卫生、环境监测、交通管理、科研开发、军事领域、特别是空间技术和核技术。

自动控制技术的广泛应用不仅使各种生产设备、生产过程实现了自动化，提高了生产效率和产品质量，尤其在人类不能直接参与工作的场合，就更离不开自动控制技术了。

自动控制技术还为人类探索大自然、利用大自然提供了可能和帮助。

二、自动控制理论的发展过程1.1945年之前，属于控制理论的萌芽期。

1945年，美国人伯德（Bode）的“网络分析与放大器的设计”奠定了控制理论的基础，至此进入经典控制理论时期，此时已形成完整的自动控制理论体系。

2.二十世纪六十年代初。

用于导弹、卫星和宇宙飞船上的“控制系统的一般理论”（卡尔曼Kalman）奠定了现代控制理论的基础。

现代控制理论主要研究多输入-多输出、多参数系统，高精度复杂系统的控制问题，主要采用的方法是以状态空间模型为基础的状态空间法，提出了最优控制等问题。

3.七十年代以后，各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂，自动控制理论继续发展，进入了大系统和智能控制时期。

例如智能机器人的出现，就是以人工智能、神经网络、信息论、仿生学等为基础的自动控制取得的很大进展。

三、自动控制技术与人类历史发展1.自动计时漏壶：古代利用滴水、沙多少来计量时间的一种仪器。

水漏是以壶盛水，利用水均衡滴漏原理，观测壶中刻箭上显示的数据来计算时间。

历史可追溯到夏、商时期。

沙漏是为了避免水因气温变化而影响计时精度而设计的。

其原理是通过流沙推动齿轮组，使指针在时刻盘上指示时刻。

最早记载见于元代。

2.记里鼓车：记里鼓车是中国古代用于计算道路里程的车，行一里路打一下鼓的装置，故名“记里鼓车”。

记里鼓车这是一种会自动记载行程的车辆，是中国古代社会的科学家、发明家研制出的自动机械物体，被机器人专家称为是一种中国古代机器人。

记里鼓车的记程功能是由齿轮系完成的。

车中有一套减速齿轮系，始终与车轮同时转动，其最末一只齿轮轴在车行一里时正好回转一周，车子上层的木人受凸轮牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓一次，以示里程。

《自动控制原理》电子教案自动控制原理是一门应用于工程系统中的基础课程，主要教授控制系统的基本原理、方法和技术。

本教案分为导入、教学过程、课堂活动、作业布置和教学总结五个部分。

一、导入控制系统是现代工程中不可或缺的部分，它在各个领域中都有着广泛的应用，如机械、电子、航空航天、化工等。

本课程将重点介绍控制系统的基本原理和常用的控制方法，通过理论与实践相结合的方式，让学生对自动控制有一个全面的了解。

二、教学过程1.引入控制系统的概念和意义-通过举例说明控制系统在日常生活中的应用，如电梯、温度调节器等。

-引导学生思考控制系统的目的是什么，如稳定性、精确度、鲁棒性等。

2.基本概念和术语-介绍控制系统的基本构成要素，如输入、输出、传感器、执行器等。

-解释控制系统的基本术语，如开环控制、闭环控制、反馈、控制器等。

3.数学模型建立与分析-介绍控制系统的数学建模方法，如微分方程、状态空间等。

-通过实例演示如何建立系统的数学模型，如电机控制系统、液位控制系统等。

-分析系统的稳定性和动态响应，引入根轨迹和频率响应的概念。

4.控制方法与技术-介绍常见的控制方法，如比例、积分、微分控制器，PID控制器等。

-讲解先进的控制技术，如自适应控制、鲁棒控制、优化控制等。

-针对不同的控制任务，介绍相应的控制算法和调参方法。

5.实验与仿真-安排实验课程，让学生通过实际操作来深入理解控制系统的原理和方法。

-使用仿真软件进行虚拟实验，提供学生自主学习和实践的机会。

三、课堂活动1.小组讨论：请学生分小组讨论不同控制系统的应用，并分享自己的观点和想法。

2.解答问题：教师提供一些与课程内容相关的问题，鼓励学生积极参与回答，加深对知识的理解。

3.实例分析：教师提供一些典型的控制系统实例，让学生逐步分析其数学模型和控制方法。

四、作业布置1.阅读相关文献资料，进一步了解控制系统的发展和应用。

2.完成课后习题，加强对知识的巩固。

3.准备下一堂课的报告，选择一个感兴趣的控制系统进行介绍。

自动控制原理电子教案第 1 次课授课时间2学时授课题目（章、节）第一章绪论（1-3节）主要内容1．自动控制在各领域的应用2．自动控制的作用3．自动控制定义：自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象（或过程）的某些物理量自动地按预先给定的规律去运行。

4．自动控制系统的基本职能元件及基本框图等5．开环控制与闭环控制目的与要求了解自动控制系统的基本职能元件、基本术语及方框图掌握自动控制定义掌握开环、闭环控制的定义、基本框图重点与难点重点：自动控制的定义、开环控制与闭环控制的定义及框图教学手段授课、例题讲解思考题或作业题1-2１．１　引言　无论是人们的日常生活、工业生产，还是空间探索、导弹制导等尖端科技领域中，自动控制技术无所不在、无所不能。

自动控制理论和技术已经渗透到社会、经济和科学研究的各个方面。

　自动控制技术是建立在控制论基础上的，而控制论研究的是控制的一般性理论，它不具体面对某一类控制系统的，因此它是一门以理论为主的课程。

　自动控制理论是一门理论性和工程性的综合科学。

　１．控制理论的基础观念　控制理论是建立在有可能发展一种方法来研究各式各样系统中控制过程这一基础上的理论（也即，它是研究系统共性的控制过程的理论，可以把实际对象的物理涵义抽象出来，因此，它一定是以数学工具作为主要研究手段的）。

　２．控制理论的研究对象　控制论的研究是面向系统的。

　广义地讲：控制论是研究信息的产生、转换、传递、控制和预报的科学；　狭义地讲：根据期望的输出来改变控制输入，使系统的输出能达到某中预期的效果。

　３．控制论与数学及自动化技术的关系　控制论是应用数学的一个分支，它的某些理论的研究还要借助于抽象数学。

而控制论的研究成果若要应用于实际工程中，就必须在理论概念与用来解决这些实际问题的实用方法之间架起一座桥梁。

　１．２　自动控制和自动控制系统　１．２．１自动控制问题的提出　人们存在着一种普遍的要求或希望，即要求某些物理量维持在某种特定的（如恒定不变或按某种规律变化或跟踪某个变化的量等等）标准上。

第一章自动控制原理的基本概念主要内容：自动控制的基本知识开环控制与闭环控制自动控制系统的分类及组成自动控制理论的发展§1.1引言例如：控制：§1.21.2.1（如1.2.21.自动控制的定义自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象(或过程)的某些物理量(或状态)自动地按预先给定的规律去运行。

当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。

这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。

2.自动控制的基本职能元件自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。

画出以上人工控制与动控制的功能方框图进行对照。

比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不图。

1.2.31.2.§1.31.3.1开环控制定义:控制量与被控量之间只有顺向作用而没有反向联系。

开环控制系统的典型方框图如图所示。

例如：交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机1.按给定控制下图是一个直流电动机转速控制系统。

工作原理：以上的控制过程，用方框图简单直观地表示出来。

2.按扰动控制图示是一个按扰动控制的直流电动机转速控制系统。

控制过程可用方框图表示成如图示的形式。

把负载变化视为外部扰动输入，对输出转速产生的影响及控制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端传送到输出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。

有时我们称按扰动控制为顺馈控制。

开环控制的特点：1.3.2◆由负反馈构成闭环，利用偏差信号进行控制；抗干扰能力强，精度高；存在稳定性问题。

系统元件参数配合不当，容易产生振荡，使系统不能正常工作；自动控制理论主要研究闭环系统。

闭环控制系统的典型方框图如图所示。

一、开环与闭环控制系统的比较二、复合控制方法常见的方式有以下两种：1.附加给定输入补偿2.附加扰动输入补偿§1-4自动控制系统的分类基本组成1.4.1按给定信号的2.3.1.4.21.时，则称这种系统为线性系统。

第一章自动控制的一般概念第一节控制理论的发展自动控制的萌芽：自动化技术学科萌芽于18世纪，由于工业革命的发展,如何进一步降低人的劳动强度和提高设备的可靠性被提到了议程。

特点：简单的单一对象控制。

1. 经典控制理论分类线性控制理论，非线性控制理论，采样控制理论2. 现代控制理论3. 大系统理论4. 智能控制理论发展历程：1. 经典控制理论时期（1940-1960）研究单变量的系统，如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。

⏹1945年美国人Bode出版了《网络分析与放大器的设计》，奠定了控制理论的基础;⏹1942年哈里斯引入传递函数；⏹1948年伊万恩提出了根轨迹法；⏹1949年维纳关于经典控制的专著。

特点：以传递函数为数学工具，采用频率域法，研究“单输入—单输出”线性定常控制系统的分析和设计，而对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力。

2. 现代控制理论时期（20世纪50年代末-60年代初）研究多变量的系统，如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。

空间技术的发展提出了许多复杂的控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上，对自动控制的精密性和经济性指标提出了极严格的要求。

并推动了控制理论的发展。

⏹Kalman的能控性观测性和最优滤波理论;⏹庞特里亚金的极大值原理；⏹贝尔曼的动态规划。

特点：采用状态空间法（时域法），研究“对输入-多输出”、时变、非线性系统等高精度和高复杂度的控制问题。

3. 大系统控制时期（1970s-）各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。

大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。

它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。

4. 智能控制时期这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。

它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。