自动控制原理第一章教案
自动控制原理电子教案
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。
自动控制原理(经典部分)课程教案
xx科技大学《自动控制原理》（经典部分）课程教案授课时间：适用专业、班级：编写人：编写时间：)())()m n s z s p --221)(1)21)(1)i j s s T s T s ζττζ++++++ 极点形成系统的模态，授课学时：2学时章节名称第二章第三节控制系统的结构图与信号流图（1）备注教学目的和要求1、会绘制结构图。
2、会由结构图等效变换求传递函数。
重点难点重点：结构图的绘制；由结构图等效变换求传递函数。
难点：复杂结构图的等效变换。
教学方法教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲多练的方法突出重点，用分析举例的方法突破难点。
2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。
教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等）一、引入（约3min）从“用数学图形描述系统的优点”引入新课。
二、教学进程设计（一）结构图的组成（约7min）1、信号线：表示信号的传递方向。
2、方框：表示输入和输出的运算关系，即C(S)=R(S)*G(S)。
3、比较点：表示两个以上信号进行代数运算。
4、引出点：一个信号引出两个或以上分支。
（二）结构图的绘制（约40min）绘制：列写微分方程组，并列写拉氏变换后的子方程；绘制各子方程的结构图，然后根据变量关系将各子结构图依次连接起来，得到系统的结构图。
例题讲解。
（二）结构图的简化（约46min）任何复杂的系统结构图，各方框之间的基本连接方式只有串联、并联和反馈连接三种。
方框结构图的简化是通过移动引出点、比较点、交换比较点，进行方框运算后，将串联、并联和反馈连接的方框合并，求出系统传递函数。
1、串联的简化：12()()()G s G s G s=2、并联的简化：12()()()G s G s G s=±3、反馈连接方框的简化：11()()1()()G ssG s H sΦ=4、比较点的移动：移动前后保持信号的等效性。
比较点前移比较点后移5、引出点的移动：移动前后保持信号的等效性。
自动控制原理第一章教案
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。
自动控制原理教案
自动控制原理教案一、教材分析《自动控制原理》是自动化专业的一门基础课程，主要介绍自动控制原理的基本概念、基本原理和基本方法。
通过学习本课程，学生能够掌握自动控制系统的基本知识，了解自动控制原理在工程实践中的应用，并具备设计和分析自动控制系统的能力。
本教材主要包括以下内容：一、自动控制系统的基本概念和基本原理；二、控制系统的数学模型；三、时域分析方法；四、频域分析方法；五、稳定性分析与设计；六、校正与补偿。
二、教学目标1. 理论目标：（1）了解自动控制系统的基本概念和基本原理；（2）掌握控制系统的数学模型表示方法；（3）掌握时域分析方法和频域分析方法；（4）掌握自动控制系统的稳定性分析与设计方法；（5）了解校正与补偿的基本方法。
2. 实践目标：（1）培养学生分析和设计自动控制系统的能力；（2）培养学生运用自动控制原理解决实际问题的能力；（3）培养学生团队协作和沟通能力。
三、教学重点与难点1. 教学重点：（1）自动控制系统的基本概念和基本原理；（2）控制系统的数学模型表示方法；（3）时域分析方法和频域分析方法。
2. 教学难点：（1）自动控制系统的稳定性分析与设计方法；（2）校正与补偿的基本方法。
四、教学内容与教学方法1. 教学内容：第一章自动控制系统基本概念1.1 自动控制系统的定义和分类1.2 自动控制系统的基本组成1.3 自动控制系统的特点第二章自动控制系统数学模型2.1 自动控制系统的数学模型表示2.2 控制系统的状态方程表示2.3 控制系统的传递函数表示第三章时域分析方法3.1 系统的时域响应3.2 时域性能指标3.3 时域分析的基本方法第四章频域分析方法4.1 复频域的基本概念4.2 频域性能指标4.3 常用频域分析方法第五章稳定性分析与设计5.1 稳定性的基本概念5.2 稳定性的判据5.3 稳定性的设计方法第六章校正与补偿6.1 校正与补偿的基本概念6.2 控制系统的传感器6.3 控制系统的执行器6.4 控制系统的校正与补偿方法2. 教学方法：（1）理论教学：讲授自动控制原理的基本概念、基本原理和基本方法；（2）案例分析：通过实例分析和讨论，加深学生对自动控制原理的理解；（3）实验设计：设计实际的控制系统，通过实验验证和巩固所学的知识；（4）讨论与互动：鼓励学生积极参与课堂讨论和互动，提高学生的思维能力和团队合作能力。
自动控制原理教案
表示。
2.积分环节()ss G 1=微分环节()()()221lg 2011lg 20T T L ωωω+-=+=()⎪⎩⎪⎨⎧〉〉--=-〈〈=+-=T T T T 1,lg 20lg 20lg 201,001lg 202ωωωω通过以上例子，可总结出开环传递函数的对数相频率特性曲线有以下特点：（1） 开环对数频率特性在低频段的形状，只与系统的开环增益 K 和积分环节的个数有关，即曲线起始段的斜率由积分环节的个数决定，即()dec dB N /20-⨯。
0型系统，()ωL 曲线起始段是高度为k lg 20的一条水平线；（2） 在交接频率处曲线的斜率变化应视典型环节而定，如遇到 惯性环节，斜率要减少20dec dB /；遇到二阶振荡环节，斜率要减少40dec dB /；遇到一阶微分环节，斜率要增加20dec dB /。
（3）绘制对数相频特性曲线()ωφ时，起始段的渐进性方向趋势为⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯2πN ，高频段的渐进性方向趋势为()⎪⎭⎫⎝⎛-⨯-2πm n ；然后再求出交接频率处的准确值，用光滑的曲线连接即得该系统的对数相频特性渐进曲线。
小结：1. 开环传递函数的对数频率特性曲线的绘制方法作业：（2） 幅值稳定裕度令幅相曲线穿越—180°相位线所对应的频率为g ω，这个频率称为相角穿越频率，此频率所对应的幅值为()g A ω。
幅值稳定裕度的定义：相角穿越频率时的幅频特性的倒数称为幅值稳定裕度，简称幅值裕度，即()g g A k ω1=对于最小相位系统，1>gk 表示闭环系统稳定，而且g k 愈大，系统愈稳定；若1<g k ，闭环系统不稳定。
（3）相位稳定裕度令幅相曲线穿越0dB 线所对应的频率为c ω，这个频率称为幅值穿越频率，此频率所对应的相位为()c ωϕ。
相位稳定裕度的定义：幅值穿越频率c ω的相频特性与-180°之差称为相位稳定裕度，简称相位裕度，即()c ωϕγ+︒=180如果闭环系统稳定，则相位裕量0>γ，并且γ愈大，闭环系统愈稳定；反之，当0<γ，闭环系统不稳定。
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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 引言控制观念生产和科学实践中，要求设备或装置或生产过程按照人们所期望的规律运行或工作。
同时，干扰使实际工作状态偏离所期望的状态。
例如：卫星运行轨道，导弹飞行轨道，加热炉出口温度，电机转速等控制控制：为了满足预期要求所进行的操作或调整的过程。
控制任务可由人工控制和自动控制来完成。
§ 1.2 自动控制的基本知识1.2.1 自动控制问题的提出一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h维持恒定。
当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。
当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。
所谓控制就是强制性地改变某些物理量(如上例中的进水量)，而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。
人工控制的例子。
这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。
1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件1. 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，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：测量元件与变送器（代替眼睛）自动控制器（代替大脑）执行元件（代替肌肉、手）这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。
下图是典型控制系统方框图。
自动控制原理(经典部分)课程教案
xx科技大学《自动控制原理》（经典部分）课程教案授课时间：适用专业、班级：编写人：编写时间：)())()m n s z s p --221)(1)21)(1)i j s s T s T s ζττζ++++++ 极点形成系统的模态，授课学时：2学时章节名称第二章第三节控制系统的结构图与信号流图（1）备注教学目的和要求1、会绘制结构图。
2、会由结构图等效变换求传递函数。
重点难点重点：结构图的绘制；由结构图等效变换求传递函数。
难点：复杂结构图的等效变换。
教学方法教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲多练的方法突出重点，用分析举例的方法突破难点。
2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。
教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等）一、引入（约3min）从“用数学图形描述系统的优点”引入新课。
二、教学进程设计（一）结构图的组成（约7min）1、信号线：表示信号的传递方向。
2、方框：表示输入和输出的运算关系，即C(S)=R(S)*G(S)。
3、比较点：表示两个以上信号进行代数运算。
4、引出点：一个信号引出两个或以上分支。
（二）结构图的绘制（约40min）绘制：列写微分方程组，并列写拉氏变换后的子方程；绘制各子方程的结构图，然后根据变量关系将各子结构图依次连接起来，得到系统的结构图。
例题讲解。
（二）结构图的简化（约46min）任何复杂的系统结构图，各方框之间的基本连接方式只有串联、并联和反馈连接三种。
方框结构图的简化是通过移动引出点、比较点、交换比较点，进行方框运算后，将串联、并联和反馈连接的方框合并，求出系统传递函数。
1、串联的简化：12()()()G s G s G s=2、并联的简化：12()()()G s G s G s=±3、反馈连接方框的简化：11()()1()()G ssG s H sΦ=4、比较点的移动：移动前后保持信号的等效性。
比较点前移比较点后移5、引出点的移动：移动前后保持信号的等效性。
《自动控制原理》电子教案
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。
《自动控制原理》电子教案(共8章)
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。
自动控制原理电子教案
自动控制原理电子教案第一章：绪论1.1 自动控制的概念介绍自动控制的定义和意义解释自动控制系统的组成和功能1.2 自动控制系统的分类介绍连续控制系统和离散控制系统的区别介绍开环控制系统和闭环控制系统的区别1.3 自动控制的发展历程介绍自动控制的发展历程和重要里程碑介绍自动控制在我国的发展状况第二章：自动控制系统的数学模型2.1 数学模型的概念介绍数学模型的定义和作用解释数学模型在自动控制系统中的应用2.2 连续系统的数学模型介绍连续系统的微分方程表示法介绍连续系统的传递函数表示法2.3 离散系统的数学模型介绍离散系统的差分方程表示法介绍离散系统的Z域表示法第三章：自动控制系统的稳定性分析3.1 稳定性概念介绍系统稳定性的定义和重要性解释稳定性的判定标准3.2 连续系统的稳定性分析介绍劳斯-赫尔维茨稳定性判据介绍尼科尔斯-李雅普诺夫稳定性判据3.3 离散系统的稳定性分析介绍离散系统的稳定性判定方法介绍离散系统的劳斯-赫尔维茨判据第四章：自动控制系统的控制器设计4.1 控制器设计概述介绍控制器设计的意义和目标解释控制器设计的基本方法4.2 连续系统的PID控制器设计介绍PID控制器的原理和结构介绍PID控制器的参数调整方法4.3 离散系统的控制器设计介绍离散PID控制器的设计方法介绍离散控制器的实现和优化方法第五章：自动控制系统的仿真与实验5.1 自动控制系统仿真概述介绍自动控制系统仿真的意义和目的解释仿真软件的选择和使用方法5.2 连续系统的仿真实验介绍连续系统的仿真实验方法和步骤分析实验结果和性能指标5.3 离散系统的仿真实验介绍离散系统的仿真实验方法和步骤分析实验结果和性能指标第六章：线性系统的状态空间分析6.1 状态空间的概念介绍状态空间及其在自动控制系统中的应用解释状态向量和状态方程的含义6.2 状态空间表示法介绍状态空间表示法的基本原理解释状态转移矩阵和系统矩阵的概念6.3 状态空间分析法介绍状态空间分析法在系统稳定性、可控性和可观测性方面的应用解释李雅普诺夫理论在状态空间分析中的应用第七章：非线性系统的分析与控制7.1 非线性系统概述介绍非线性系统的定义和特点解释非线性系统分析的重要性7.2 非线性系统的数学模型介绍非线性系统的常见数学模型解释非线性方程和方程组的求解方法7.3 非线性控制策略介绍非线性控制的基本策略和方法分析非线性控制系统的性能和稳定性第八章：现代控制理论及其应用8.1 现代控制理论概述介绍现代控制理论的定义和发展历程解释现代控制理论在自动控制系统中的应用8.2 鲁棒控制介绍鲁棒控制的定义和目标解释鲁棒控制在自动控制系统中的应用和优势8.3 自适应控制介绍自适应控制的定义和原理解释自适应控制在自动控制系统中的应用和效果第九章：自动控制系统的实现与优化9.1 系统实现概述介绍自动控制系统实现的意义和目标解释系统实现的方法和技术9.2 数字控制器的实现介绍数字控制器的实现方法和步骤解释数字控制器实现中的主要技术问题9.3 系统优化方法介绍系统优化方法的定义和目标解释系统优化方法在自动控制系统中的应用和效果第十章：自动控制技术的应用案例分析10.1 工业自动化控制系统案例分析工业自动化控制系统的组成和功能解释工业自动化控制系统在工业生产中的应用案例10.2 控制系统案例分析控制系统的组成和功能解释控制系统在现代工业和生活中的应用案例10.3 航空航天控制系统案例分析航空航天控制系统的组成和功能解释航空航天控制系统在航空航天领域的应用案例重点和难点解析重点环节1：自动控制的概念与系统组成自动控制系统的定义和功能是理解自动控制理论的基础，需要重点关注。
自动控制原理电子教案
第1章自动控制理论的发展史及内容教学目的: 知识：掌握什么是自动控制，自动控制控制原理的发展史和主要内容技能：通过学习自动控制原理的发展进程了解本课程主要的任务教学重点: 自动控制原理的主要内容教学难点: 本课程的任务教学方法: 结合多媒体讲授法教学进度: 本内容为4学时，其中1.1、1.2、1.3节2学时，1.4、1.5、1.6节2学时。
参考资料:《现代控制工程》绪方胜彦著,科学出版社教学内容第一节自动控制理论的发展史及内容一提到自动化很多人就会问自动化是什么？所谓自动化就是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。
广义的讲，自动化还包括模拟或再现人的自能活动。
自动化技术广泛用于工业、农业、国防、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务以及家庭等各方面。
采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展、放大人的功能和创新的功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。
因此自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志。
在我国的古代，很多的能工巧匠就发明了许多原始的自动装置，以满足生产、生活和作战的需要。
其中比较著名的就有以下几种：（1）指南车指南车是中国古代用来指示方向的一种具有能自动离合齿轮系装置的车辆。
指南车是一种马拉的双轮独辕车，车箱上立一个伸臂的木人。
《宋史·舆服志》中对指南车的构造和各齿轮大小和齿轮数都有详细的记载。
（2）铜壶滴漏即漏壶，中国古代的自动计时装置，又称刻漏或漏刻。
漏壶的最早记载见于《周记》。
这种计时装置最初只有两个壶，由壶上滴水到下面的受水壶，液面使浮箭升起以示刻度（时间）。
（3）饮酒速度的自动调节宋朝仇士良著的《岭外代答》（公元1178）蹭记载中国南方和西南方部落村民的一种习俗，就是常用长0.6米以上的饮酒管饮酒。
在这种竹制饮酒管中有一条银制小鱼，作为可动的开关（即浮子式阀门）。
自动控制原理教案01
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 引言控制观念生产和科学实践中，要求设备或装置或生产过程按照人们所期望的规律运行或工作。
同时，干扰使实际工作状态偏离所期望的状态。
例如：卫星运行轨道，导弹飞行轨道，加热炉出口温度，电机转速等控制控制：为了满足预期要求所进行的操作或调整的过程。
控制任务可由人工控制和自动控制来完成。
§ 1.2 自动控制的基本知识1.2.1 自动控制问题的提出一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h维持恒定。
当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。
当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。
所谓控制就是强制性地改变某些物理量(如上例中的进水量)，而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。
人工控制的例子。
这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。
1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件1. 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，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：测量元件与变送器（代替眼睛）自动控制器（代替大脑）执行元件（代替肌肉、手）这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。
下图是典型控制系统方框图。
大学自动控制原理教案
大学自动控制原理教案大学自动控制原理教案课程名称：自动控制原理授课方式：讲课、案例分析、实验演示教学目标：本课程旨在通过教学使学生了解自动控制系统的基本概念、分类、组成和主要特性，并掌握控制系统的数学建模方法和分析技术；同时训练学生解决实际问题的能力，提高学生的工程实践能力和创新能力。
教学内容：第一章自动控制基础知识（3学时）1.1 自动控制基本概念和分类1.2 控制系统的组成和主要特性1.3 控制系统的性能指标第二章控制系统的数学模型（9学时）2.1 信号与系统基础2.2 时域分析2.3 转移函数法2.4 稳态误差分析2.5 系统稳定性2.6 根轨迹法2.7 频域分析第三章控制系统设计（15学时）3.1 闭环控制系统设计3.2 PID控制器设计3.3 二阶系统控制器设计3.4 状态空间法3.5 非线性控制系统设计第四章控制系统应用（9学时）4.1 控制系统的仿真分析4.2 控制系统的实验演示4.3 控制系统在工程实践中的应用教学方法：本课程采用教师讲授、案例分析和实验演示相结合的多种教学方法，以理论与实践相结合的方式培养学生的分析解决问题的能力。
教学手段：1.板书讲解法：用简洁明了的语言和简单明了的图表进行讲解和演示。
2.多媒体辅助授课法：通过PPT、视频、动画、模拟软件等多种方式进行辅助教学，直观形象地展示控制系统的基本特性和数学模型。
3.案例分析法：通过实际案例分析，引导学生掌握控制系统的定量分析方法和设计技巧。
4.实验演示法：通过实验演示，让学生体验控制系统的实际应用过程，进一步加深对控制系统的理解和认识。
教学评价：1.考试成绩：考核学生对控制系统理论知识的掌握情况。
2.作业评定：考核学生对控制系统分析问题和解决问题的能力。
3.实验报告评定：考核学生对控制系统实际应用和实验操作的掌握情况，并对实验结果进行分析和总结。
4.综合评价：根据学生的表现和掌握情况，综合评定学生的思维能力、创新能力和实践能力。
自动控制原理课程教案
自动控制原理课程教案第一章自动控制系统导论本章教学目标：1使学生掌握自动控制系统的相关概念2使学生理解和掌握自动控制的基本原理3使学生了解自动控制系统的分类和基本要求本章基本要求：1正确理解和掌握负反馈控制的原理2了解控制系统的组成与分类3能确定被控系统的被控对象，被控量和给定量，掌握根据原理图绘制系统方框图的方法。
本章各节的教学内容:1自动控制系统的基本原理2自动控制系统分类3对控制系统的基本要求4自动控制的发展简史5控制系统设计概论本章教学重点：1要求学生了解自动控制系统基本概念、基本变量、基本组成及工作原理2理解信息反馈的含义和作用，区别开环控制和闭环控制3绘制控制系统方框图本章教学内容的深化和拓宽：使学生了解更多工程实际中所用的控制系统，并深入了解它们的工作原理。
本章教学方式：采用工程实例和设疑方法引导学生用系统论，信息论观点分析广义系统的动态特征、信息流，理解信息反馈的作用。
绘制控制系统方框图。
在讲述控制理论发展史引入我国古代指南车和“二弹一星”特殊贡献科学家——钱学森在自动控制理论方面的成就，进行爱国主义和专业教育。
在讲述控制系统系统设计概论，引用转台转速控制和磁盘驱动读取系统的设计实例，强化设计训练。
本章教学过程中应注意的问题：本章概念较多，多举事例说明，以吸引学生的兴趣。
本章主要参考书目：《自动控制原理》吴秀华主编，中国水利水电出版社，2006年《自动控制原理》修订版，孙亮，北京工业大学出版社，2006 年《自动控制原理》胡寿松，北京航空航天大学，2006 年。
《自动控制原理》黄家英主编，东南大学出版社，1991年《自动控制原理》李友善主编，国防工业出版社，1989年《控制理论基础》王显正、陈正航主编，科学出版社，2000年第二章控制系统的数学模型本章教学目标：通过本章学习，使学生掌握不同域对应的不同种类的数学模型，学会系统微分方程和传递函数的求法，能绘制系统结构图和信号流图，会用结构图等效变换和梅森公式求系统的传递函数。
自动控制原理基础知识教案
本课程介绍一、制冷空调自动化课程的基本概况二、本课程的教学目的1．掌握制冷空调自动化的基本概念、基本原理和基本方法。
2．掌握制冷空调自动化系统的构造、组成和工作原理。
3．初步具备对简单制冷空调自动化系统的实际解读和操作技能。
三、本课程的特点：1．是针对由制冷、电气、电子等技术综合而成的实际自动控制系统。
2．是制冷原理、空气调节、制冷设备、电工学、电子技术等专业基础课的综合应用。
3．是理论知识和实际动手能力的结合。
四、本课程的教学方式先详细介绍制冷空调自动化系统的基本概念和基本原理，在对系统组成和控制对象有了初步了解的基础上，重点讲述制冷空调自动化系统的构成和应用技术。
在介绍控制系统原理及应用技术时，采用的是先分支后整体的思路，即在介绍系统部件的结构、原理的基础上，再介绍整个系统的结构、原理与应用。
一、制冷与空调技术的概况制冷(Refrigeration)技术是一门研究人工制冷原理、方法、设备及应用的科学技术。
在工业生产和科学研究上，常把制冷分为“普冷”和“深冷”（又称低温技术）两个体系，普冷的制冷温度高于一120℃，而深冷低于一120℃，但它们的划分界限不是绝对的。
1834年英国人波尔金斯(JacobPerkins）制成第一台用乙醚作制冷剂的制冷机以来，制冷技术不断发展和完善，制造了建立在不同原理上工作的各种制冷机，其中有1844年美国人高斯（Goss）发明的空气压缩式制冷机；1862年法国人卡尔里(Carre )制成的吸收式制冷机；1874年瑞士人皮克(RaoulPierre Pictet)首先制造了以二氧化硫作制冷剂的制冷机；同年德国人林德(Linde )发明了氨制冷机，因此成了公认的制冷机始祖，对制冷技术的实用化起了重大作用。
1881年后又出现了以二氧化碳为制冷剂的制冷机，1890年有了以水为制冷剂的蒸汽喷射式制冷机，1930年出现了以氟利昂为制冷剂的制冷机，后者给制冷机的发展开辟了新的道路。
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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。
记里鼓车的记程功能是由完成的。
车中有一套减速齿轮系，始终与车轮同时转动，其最末一只在车行一里时正好回转一周，车子上层的木人受牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓一次，以示里程。
3.指南车：指南车又称司南车，是中国古代用来指示方向的一种装置。
它与指南针利用地磁效应不同，它不用磁性。
它是利用机械传动系统来指明方向的一种机械装置。
其原理是，靠人力来带动两轮的指南车行走，依靠车内的机械传动系统来传递转向时两车轮的差动来带动车上的指向木人与车转向的方向相反角度相同，使车上的木人指示方向，不论车子转向何方，木人的手始终指向指南车出发时设置木人指示的方向，“车虽回运而手常指南”。
4.伺服机构(servomechanism)系指经由闭和回路控制方式达到一个机械系统位置、速度、或加速度控制的系统，其中被控量为机械位置或机械位置对时间的。
一个伺服系统的构成通常包含受控体(plant)、致动器(actuator)、(sensor)、(controller)等几个部分。
1.1.1 自动控制和自动控制系统
教学目的：要求学生掌握自动控制的基本概念及自动控制系统的原理。
教学重难点：对人工控制的恒值水位系统与水池水位系统的自动控制系统的理解。
1.人工控制
（1）人工控制：就是测量、求偏差、实施控制以纠正偏差的过程。
简单说，就是检测偏差并纠正偏差的过程。
（2）人工控制的恒值水位系统
1）将水位的要求值(期望水位值)牢记在大脑中。
2）用眼睛和测量工具测量水池实际水位。
3）将期望水位与实际水位进行比较、计算、从而得出误差值。
4）按照误差的大小和正负性质，由大脑指挥手去正确地调节进水阀门，所谓正确调节，是要按减小误差的方向来调节进水阀门的开度。
对于人工控制的系统，如果能找到一个控制装置(也称控制器)来代替人的职能，它就可以变成一个自动控制系统。
2. 自动控制
（1）自动控制是在没有人直接参与的情况下，通过闭环的自动调节作用来消除或减小偏差的过程。
（2）自动控制的基本任务：在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。
（3）水位自动控制系统
上图是一个液位控制系统原理图。
在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。
控制任务：维持水箱内水位恒定；
控制装置：气动阀门、控制器；
受控对象：水箱、供水系统；
被控量：水箱内水位的高度；
给定值：控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；
测量装置：浮子；
比较装置：控制器刻度盘；
干扰：水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；
3.思考、讨论并回答：列举出人工控制与自动控制的实例。
（1）人工控制
煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制、自行车速度控制、汽车驾驶、收音机音量调节
（2）自动控制
电饭煲、空调、汽轮机转速控制、导弹飞行控制、声控光控路灯
4.自动控制系统
自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对 象组成。
若用自动控制装置代替人工操作，则可构成自动控制系统。
系统结构框图既反映了反馈控制的基本原理，又清楚地表明了系统各环节的作用及其它们之间的受控关系。
自动控制系统的构成及控制过程通常可用结构框图的形式描述。
图中，用“方框”表示系统各个环节，用“箭头”代表信号的传
Q1
流出 Q2
递方向，用“ ”表示比较环节，而反馈回路的“－”号表示负反馈。
1.1.2 自动控制系统的控制方式
1. 开环控制系统：不将控制的结果反馈回来影响当前控制的系统。
举例：打开灯的开关——按下开关后的一瞬间，控制活动已经结束，灯是否亮起以对按开关的这个活动没有影响。
举例：家用窗帘自动控制系统、宾馆自动门控制系统、楼道自动声控灯装置、十字路口的红绿灯定时控制系统、公园音乐喷泉自动控制系统、自动升旗控制系统、公共汽车车门开关控制系统、普通全自动洗衣机控制系统、普通电风扇控制系统、手电筒控制装置、电吹风控制系统
2. 系统：可以将控制的结果反馈回来与希望值比较，并根据它们的误差调整控制作用的系统。
举例：调节水龙头——首先在头脑中对水流有一个期望的流量，水龙头打开后由眼睛观察现有的流量大小与期望值进行比较，并不断的用手进行调节形成一个反馈闭环控制；骑自行车——同理不断的修正行进的方向与速度形成闭环控制。
举例：供水水箱的水位自动控制系统、加热炉的温度自动控制系统、花房温度控制系统、夏天房间温度控制系统、家用电饭锅保温控制系统、家用电冰箱温度控制系统、自动电热水壶控制系统
3. 开环闭环的区别：1）有无反馈；2）是否对当前控制起作用。
开环控制一般是在瞬间就完成的控制活动，闭环控制一定会持续一定的时间，可以借此判断。
基本控
制方式
开环控制 闭环控制 复合控制 开环控制系统 闭环控制系统
复合控制系统
手动控制系统：必须在人的直接干预下才能完成控制任务的系统
自动控制系统：不需要有人干预就可按照期望规律或预定程序运行的控制系统
判断：骑自行车——人工闭环系统，导弹——自动闭环系统，人打开灯——人工开环系统，自动门、自动路灯——自动开环系统
1.1.3 自动控制系统的组成
自动控制系统(即反馈控制系统)由被控对象和控制装置两大部分组成，根据其功能，后者又是由具有不同职能的基本元部件组成的。
各基本环节如下。
1．被控对象
2．测量元件
3．给定元件
4．比较元件
5．放大元件
6．执行元件
7．校正元件
1．4．2 自动控制系统的分类
按控制方式可分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。
按元件类型可分为机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等。
按系统功能可分为温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等
为便于研究自动控制系统的实质，确定正确的研究方法及选择合适的数学工具重点讨论几种最基本和最常用的分类方法。
1．按输入量变换规律分类
(1) 恒值控制系统。
恒值控制系统的输入量为常值，要求系统在扰动存在的情况下，输出量保持恒定。
因此，恒值控制系统的任务就是要克服各种扰动对系统的影响而保持输出量为恒值。
前述介绍的自动恒温控制系统和宣流电动机闭环调速系统均为恒值控制系统。
此外，工业控制中的过程控制系统(输出量为温度、流量、压力、液位等生产过程参量) 也都为恒值控制系统。
(2) 随动控制系统。
随动控制系统又称伺服系统或跟踪系统，其输人量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求输出量能够迅速而准确地跟随输入量的变化。
因而，随动控制系统的任务是在各种情况下保证输出量以一定相度和速度跟随输入量的变化而变化。
武器系统中的火炮跟踪系统、雷达导引系统，机械加工设备的伺服机构，天文望远镜的跟踪系统等都属于随动系统。
(3) 程序控制系统。
程序控制系统的输入量是按照预定规律随时间变化的函数。
数字控制机床、机械手控制系统等。
2．按组成系统元件特性分类
(1) 线性系统。
组成控制系统的所有环节(或元件)均为线性元件，即其输入／输出特性都是线性的，这样的控制系统称为线性系统，线性系统可以用线性微分方程(或差分方程) 来描述。
在线性系统中，环节(或元件)参数不随时间变化的控制系统称为定常系统(或时不变系统)；参数随时间变化的控制系统称为时变系统。