自动控制原理教案

《自动控制原理》实验教案

实验名称 典型环节与典型系统的模拟及分析 实验类型 验证型

教学时数 2小时 授课日期 2

教学对象 自动化专业2014级1,2班 每组人数 3人

教学目的及要求

目的：在KJ82-3型自动控制系统模拟机上，观察各典型环节的动态性能，阶跃响应曲线，了解参数变化对动态特性的影响。学习超低频长余辉示波器以及数字万用表的使用方法；

要求：通过该实验，使学生学习超低频长余辉示波器以及数字万用表的使用方法，熟悉一阶系统和二阶系统在几种典型环节输入信号作用下的输出响应曲线，能够熟练分析其动态特性，牢固掌握线性系统的时域分析法。

实验教学设计 课时分配（分）

1. 上交预习报告；

2. 讲解本次实验课所需用到的实验设备：

自动控制系统教学模拟机 一台

示波器 一台

数字万用表 一块

所需的消耗性器材： 电线，电池，插针，探头 10

3. 简单提问预习的部分内容，给出预习成绩； 5

3. 讲述实验：

（1）简单回顾与该实验内容相关的课堂讲授的基本原理

（2）实验内容及操作步骤

（3）实验注意事项

（4）实验报告要求 15

4. 学生操作，教师巡回检查辅导：

（1）比例环节：当r(t)=1V时，观测不同的比例系数K时的输出波形，并作记录（以下记录波形时均这样处理。绘制曲线时，应将输入输出信号绘制于同一坐标系中，标示出相应参数）；

（2）积分环节：当r(t)=1V时，保持K =1不变，分别观测时间常数T=1秒，0.1秒时的输出波形，并作记录；

（3）振荡环节（二阶系统）：当r(t)=1V时，分别设置ξ=0.1,0.5,0.707,1观察输出波形，读出并记录各ξ值时的超调量σp%和过渡过程时间ts(取Δ=0.05)，并绘制ξ= 0.1、0.5、0.707、190 四种情况时的输出波形。

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。

教 案

～ 学年第 二 学期

课 程 名 称

系(院、部、中心)

教研室(系、实验室)

授 课 班 级

主 讲 教 师

职 称

安徽建筑工业学院教务处制

二○○ 八 年 二 月

教 案（首页）课 程

类 别 学分 学时 讲课： 学时

实验： 学时

上机： 学时

基要本参教考材资和料主

教学目的和基本要求

注：课程类别：公共基础课、专业基础课、专业必修课、专业选修课、集中实践环节、实验课、公共选修课

授课方式

（请打√） 讲授□ 讨论课□ 实验课□ 习题课□ 其他□ 课次 1

课时 2

教 学 内 容 （提 纲） 方法及手段

授课的内容纲要：

1．自动控制的概念，自动控制系统的概念

2．自动控制系统的组成

1）自动控制系统的框图

2）自动控制系统中的基本物理量的定义

3）反馈控制原理

3．自动控制系统的控制方式

4．自动控制系统的分类

5．自动控制系统的基本要求—稳、准、快

6．自动控制理论的发展

7．自动控制理论的研究工具

举例讲解

挂图讲解

参考资料（含文献、网络资源等）

1．《自动控制原理》 王划一主编

国防工业出版社

2002年

2．《自动控制原理》 李友善主编

国防工业出版社

2002年

3．《自动控制原理》 孙德宝主编

化学工业出版社

2002年

教学目的、要求（可分熟练掌握、掌握、理解、熟悉、了解等层次）：

1．掌握自动控制系统中的基本概念

2．熟悉自动控制理论的基本要求

3．了解控制理论的发展历史

教学重点及难点：

重点讲解自动控制系统中的基本概念。

作业、讨论题、思考题：

1-10

课后小结：

填表说明：1. 每项页面大小可自行添减。

2. 课次为授课次序，填1、2、3……等。

闽南理工学院备课笔记 第17次课

1 §5-7 闭环系统的频率特性

教学重点：控制系统频率评价指标

系统暂态特性和闭环频率特性的关系

闭环系统频率特性与开环频率特性的关系

教学难点：闭环频率特性的绘制

一 闭环频率特性频域的性能指标

1、谐振峰值Mp(Mr)是闭环系统幅频特性的最大值。

通常，Mp越大↑，超调量δ％↑。

2、谐振频率ωp,是闭环系统幅频特性出现谐振峰值时的频率。

3、截至频率ωb，0分贝一下3dB时对应的频率。

4、频率宽Bw(带宽)

闭环系统频率特性幅值，由其初始值M(0)减小到0.707 M(0)的频率(或由ω＝0的增量

降低3分贝时频率)。0≤ω≤ωb

频带越宽，上升时间越短，但对于高频干扰的过滤能力越差。

5、剪切速度。指在高频时频率特性衰减的快慢。在高频区衰减越快，对于信号和干扰分辨力强，频率越大，斩波作用越强，系统抗干扰能力越强。

一 闭环系统频率特性与开环系统频率特性的关系

单位反馈闭环频率特性

M(ω)——闭环频率特性的幅值

θ（ω）——闭环频率特性的相角 闽南理工学院备课笔记 第17次课

2

开环幅相频率特性上， 矢量的模（OA）, 矢量的模PA,闭环特性幅值M(ω).

OA与PA夹角θ，即闭环频率特性的相角。

常由Mp和ωp作为分析和设计闭环系统地根据。一般经验Mp取1.3～1.7

当要求有很好阻尼时，取Mp＝1.1～1.3，甚至Mp＝1

但Mp大于1.7～1.8，会使振荡趋势增大，很少采用。

一般常用 近似估计Mp

条件 Mp在 附近

较小，一般 <45°，

二 闭环频率特性分析方法

为便于用闭环频率特性的指标Mp， 来分析和设计系统，常采用直角坐标的等M图和对数坐标的等M图。