2006-2007学年第一学期 《现代控制理论》课教案 薛朝妹 电子工程学院安全教研室 授课班级:安全工程专业0301、0302班 总学时 28 实验学时:0
2006-2007 学年第一学期 《现代控制理论》课教案 薛朝妹 电子工程学院安全教研室 授课班级： 安全工程专业 0301、0302 班 总学时： 28 实验学时：0
西安石油大学教案 院(系):电子工程学院 教研室(系):安全教研室 课程 必修课()限选课(√ 现代控制理论 课程类别 名称 公共任选课() 总学时 学分 1.5 上机 学时 学时 学时 专业 安全工程专业 班级 安全001-0302 课教师 薛朝妹 职称 讲师 本课程是安全工程专业03级的一门专业方向课,属于限选课。 通过本课程的学习,使学生建立线性离散系统控制理论的基本概念,掌握线性离散系统 分析和设计的一般规律。使学生能够利用脉冲传递函数对离散系统的稳定性、稳态误差、动 教学目的态性能进行分析,实现对离散系统的设计 和要求 本课程还要求学生掌握非线性控制系统的基本内容,掌握非线性控制系统的特点,非线 性特性的线性化,非线性特性对系统的影响,利用相平面法及描述函数法对非线性系统进行 分析。 本课程的学习将为后续课程的学习打好基础,也为学生以后从事实际工作和科研奠定 定的理论基础。 l、线性离散系统控制理论的基本概念,信号的离散化与信号保持器,Z变换定理。 2、闭环脉冲传递函数的求取,系统动、静态特性的分析 教学重点、3、离散系统的设计(串联模拟校正,最少拍系统的设计)。 难点4、非线性控制系统的特点,非线性特性的线性化,非线性特性对系统的影响。 5、非线性系统的描述函数分析 6、相轨迹的绘制与分析。奇点及奇线的分析与确定,自激振荡存在性及自振参数的确定。 1、胡寿松主编.自动控制原理第四版,科学出版社,2004年 教材和参|2、戴忠达主编自动控制理论基础清华大学出版社,2001年 考书|3、张子旭主编自动控制系统分析与设计陕西科学技术出版社,197年 4、[日本]绪方胜彦著.离散时间控制系统.西安交通大学出版社,1990年
西安石油大学教案 院(系)： 电子工程学院 教研室(系)：安全教研室 课程 名称 现代控制理论 课程类别 必修课（）限选课（√ ） 公共任选课（ ） 总学时 28 学分 1.5 讲授 学时 28 上机 学时 0 实验 学时 0 专 业 安全工程专业 班 级 安全 0301-0302 任课教师 薛朝妹 职 称 讲师 教学目的 和要求 本课程是安全工程专业 03 级的一门专业方向课，属于限选课。 通过本课程的学习，使学生建立线性离散系统控制理论的基本概念，掌握线性离散系统 分析和设计的一般规律。使学生能够利用脉冲传递函数对离散系统的稳定性、稳态误差、动 态性能进行分析，实现对离散系统的设计。 本课程还要求学生掌握非线性控制系统的基本内容，掌握非线性控制系统的特点，非线 性特性的线性化，非线性特性对系统的影响，利用相平面法及描述函数法对非线性系统进行 分析。 本课程的学习将为后续课程的学习打好基础，也为学生以后从事实际工作和科研奠定一 定的理论基础。 教学重点、 难点 1、 线性离散系统控制理论的基本概念，信号的离散化与信号保持器，Z 变换定理。 2、 闭环脉冲传递函数的求取，系统动、静态特性的分析。 3、 离散系统的设计（串联模拟校正，最少拍系统的设计）。 4、 非线性控制系统的特点，非线性特性的线性化，非线性特性对系统的影响。 5、非线性系统的描述函数分析； 6、相轨迹的绘制与分析。奇点及奇线的分析与确定，自激振荡存在性及自振参数的确定。 教材和参 考书 1、胡寿松主编.自动控制原理第四版，科学出版社，2004 年 2、戴忠达主编.自动控制理论基础.清华大学出版社，2001 年 3、张子旭主编.自动控制系统分析与设计.陕西科学技术出版社，1997 年 4、[日本]绪方胜彦著.离散时间控制系统.西安交通大学出版社,1990 年
西安石油大学教案(章节备课) 学时:16 章节 第一章线性离散系统的分析与校正 l、线性离散系统基本概念、采样定理、信号保持、Z变换理论 2、线性离散系统的数学模型。 3、线性离散系统分析与设计 识点和分析方法「分析方法:通过介绍Z变換理论、双线性变换等内容,使学生清楚离散系 统与连续系统在分析方法上的联系与区别,从而更加深刻地理解采样劳斯 定理等内容 占 闭环脉冲传递函数的求取,稳定性分析及离散系统的设计一一串联模 难点 拟校正,最少拍系统的设计 l、离散系统的基本概念;信号采样与保持的数学描述 Z变换理论 3、离散系统的数学模型 要求掌握内容 4、离散系统的稳定性与稳态误差。 5、离散系统的动态性能分析。 6、离散系统的设计一一最小拍系统的设计。 课堂教学采用多种教学手段,采用板书的形式进行教学。在本章的教 教授思路,采用的教学过程中,采用启发式教学法、反馈式教学法等方法提高教学质量。课堂 方法和辅助手段,教学以教师授课为主,教学中突出重点难点,同时在板书中清晰地表示出 板书设计,重点如何来,板书工整、认真、严谨。在课堂教学中,注意师生互动,采用提问、 出,难点如何解决 上讲台做题等方式,对教学效果及时进行反馈。同时注意启发学生发现问 师生互动等 题、提出问题、解决问题的能力,改革考核方式,提高其学习的积极性和 主动性。 P3467-1(1)7-2(1)(2)(3)(4)7-3(1)7-4(2)7-5(2) 7-77-8(1)(3)7-97-107-137-157-187-197-217-22
西安石油大学教案(章节备课) 学 时： 16 章节 第一章 线性离散系统的分析与校正 知识点和分析方法 1、 线性离散系统基本概念、采样定理、信号保持、Z 变换理论 2、 线性离散系统的数学模型。 3、 线性离散系统分析与设计。 分析方法：通过介绍 Z 变换理论、双线性变换等内容，使学生清楚离散系 统与连续系统在分析方法上的联系与区别，从而更加深刻地理解采样劳斯 定理等内容。 重点 难点 闭环脉冲传递函数的求取，稳定性分析及离散系统的设计——串联模 拟校正，最少拍系统的设计。 要求掌握内容 1、 离散系统的基本概念；信号采样与保持的数学描述。 2、 Z 变换理论。 3、 离散系统的数学模型。 4、 离散系统的稳定性与稳态误差。 5、 离散系统的动态性能分析。 6、 离散系统的设计——最小拍系统的设计。 教授思路，采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计，重点如何 突出，难点如何解决， 师生互动等 课堂教学采用多种教学手段，采用板书的形式进行教学。在本章的教 学过程中，采用启发式教学法、反馈式教学法等方法提高教学质量。课堂 教学以教师授课为主，教学中突出重点难点，同时在板书中清晰地表示出 来，板书工整、认真、严谨。在课堂教学中，注意师生互动，采用提问、 上讲台做题等方式，对教学效果及时进行反馈。同时注意启发学生发现问 题、提出问题、解决问题的能力，改革考核方式，提高其学习的积极性和 主动性。 本章思考题和习题 P346 7-1 （1）7-2 （1） （2） （3）（4）7-3 （1） 7-4 （2）7-5 （2） 7-7 7-8 （1）（3）7-9 7-10 7-13 7-15 7-18 7-19 7-21 7-22
1、胡寿松主编.自动控制原理第四版,科学出版社,2004年 主要 2、戴忠达主编.自动控制理论基础.清华大学出版社,2001年 参考资料 3、张子旭主编.自动控制系统分析与设计.陕西科学技术出版社,1997年 4、[日本]绪方胜彦著.离散时间控制系统西安交通大学出版社,1990年 在课程的学习过程中,可以自行采用 Matlab软件平台辅助解题 每节在单元总结时给出相关的单元练习,要求学生认真完成 备注 为了配合课堂教学,使学生更好地掌握课程内容,安排约20道课外题, 安排1-2次课程讨论
主要 参考资料 1、胡寿松主编.自动控制原理第四版，科学出版社，2004 年 2、戴忠达主编.自动控制理论基础.清华大学出版社，2001 年 3、张子旭主编.自动控制系统分析与设计.陕西科学技术出版社，1997 年 4、[日本]绪方胜彦著.离散时间控制系统.西安交通大学出版社,1990 年 备注 在课程的学习过程中，可以自行采用 Matlab 软件平台辅助解题。 每节在单元总结时给出相关的单元练习，要求学生认真完成。 为了配合课堂教学，使学生更好地掌握课程内容，安排约 20 道课外题， 安排 1-2 次课程讨论
西安石油大学教案(章节备课) 学时:12 章节 第二章非线性控制系统分析 1、非线性系统概述 2、描述函数法。 知识点和分析方法 3、相平面法 分析方法:描述函数法和相平面法是非线性系统所特有的两种分析方法 是本章的重点内容。 重点 非线性系统的描述函数分析;相轨迹的绘制与分析,奇点及奇线的分 难点 析与确定,自激振荡的存在性及自振参数的确定。 1、非线性系统概述:一般概念,非线性系统的特征,非线性系统的研究方 2、描述函数法:基本概念,用描述函数分析非线性系统1)负倒描述函 数2)稳定性判据3)自振的稳定性判据自振的分析与计算,典型非线 要求掌握内容 性环节的描述函数及负倒描述函数。 3、相平面法:基本概念,相平面性质:1)对称性2)奇点与普通点 3)过X轴之斜率一—正交性4)相轨迹方向 相轨迹的绘制方法,1)直接积分法2)消去参变量t 用相平面分析非线性系统,奇点及奇线的分析与确定 课堂教学采用多种教学手段,采用板书的形式进行教学。在本章的教 教授思路,采用的教学过程中,采用启发式教学法、反馈式教学法等方法提高教学质量。课堂 方法和辅助手段,教学以教师授课为主,教学中突出重点难点,同时在板书中清晰地表示出 板书设计,重点如何来,板书工整、认真、严谨。在课堂教学中,注意师生互动,采用提问、 出,难点如何解决 上讲台做题等方式,对教学效果及时进行反馈。同时注意启发学生发现问 师生互动等 题、提出问题、解决问题的能力,改革考核方式,提高其学习的积极性和 主动性 P3938-1(1)(2)8-28-3(1)(4)8-98-10 本章思考题和习题 8-168-178-208-15
西安石油大学教案(章节备课) 学 时： 12 章节 第二章 非线性控制系统分析 知识点和分析方法 1、 非线性系统概述。 2、 描述函数法。 3、 相平面法 分析方法：描述函数法和相平面法是非线性系统所特有的两种分析方法， 是本章的重点内容。 重点 难点 非线性系统的描述函数分析；相轨迹的绘制与分析，奇点及奇线的分 析与确定，自激振荡的存在性及自振参数的确定。 要求掌握内容 1、 非线性系统概述：一般概念，非线性系统的特征，非线性系统的研究方 法。 2、描述函数法：基本概念，用描述函数分析非线性系统 1) 负倒描述函 数 2) 稳定性判据 3) 自振的稳定性判据自振的分析与计算，典型非线 性环节的描述函数及负倒描述函数。 3、相平面法：基本概念，相平面性质：1)对称性 2)奇点与普通点 3)过 X 轴之斜率——正交性 4) 相轨迹方向 相轨迹的绘制方法，1) 直接积分法 2) 消去参变量 t 用相平面分析非线性系统，奇点及奇线的分析与确定 教授思路，采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计，重点如何 突出，难点如何解决， 师生互动等 课堂教学采用多种教学手段，采用板书的形式进行教学。在本章的教 学过程中，采用启发式教学法、反馈式教学法等方法提高教学质量。课堂 教学以教师授课为主，教学中突出重点难点，同时在板书中清晰地表示出 来，板书工整、认真、严谨。在课堂教学中，注意师生互动，采用提问、 上讲台做题等方式，对教学效果及时进行反馈。同时注意启发学生发现问 题、提出问题、解决问题的能力，改革考核方式，提高其学习的积极性和 主动性。 本章思考题和习题 P393 8-1（1）（2） 8-2 8-3（1）（4） 8-9 8-10 8-16 8-17 8-20 8-15
1、《控制理论基础》 王显正编科学出版社 主要 参考资料 2、《自动控制系统分析与设计》张子旭编陕西科学技术出版社 3、《自动控制原理》 吴麒编清华大学出版社 本章注重作图(描述函数、相轨迹)能力的培养
主要 参考资料 1、 《控制理论基础》 王显正编 科学出版社 2、 《自动控制系统分析与设计》 张子旭编 陕西科学技术出版社 3、 《自动控制原理》 吴 麒编 清华大学出版社 备注 本章注重作图（描述函数、相轨迹）能力的培养
西安石油大学教案(课时备课) 第1次课 2学时 章节 第一章线性离散系统的分析与校正 第一节离散系统的基本概念 1、本章的主要内容、研究方法及学习方法的介绍。 2、连续信号与离散信号的区别 讲授主要内容 3、采样控制系统的特点一一举例说明 4、采样系统的一些基本概念,采样过程 5、采样控制系统、数字控制系统 重点 重点:采样开关的特点 难点 难点:保持器(信号复现滤波器)的工作原理 与连续系统比较 采样系统中增加了采样开关S,用一个开关符号表示;增加了保持器(或 称信号复现滤波器);控制器成为脉冲控制器。 数字控制系统是指系统中具有数字式控制器(或称数字编码元件)OR数 要求掌握知识点和分字计算机的控制系统 析方法 采样系统的优点:可以提高系统的灵敏度:可保证足够的计算精度;采 样、数码信号的传递可抑制噪声,抗干扰能力强;可采用多台、分时控制、 设备利用率高 研究方法:以Z变换(断续拉氏变换)为数学基础,将联系系统的理论适 当变换直接应用于离散系统。 教授思路,采用的教用板书的形式进行教学。在本节的教学过程中,采用启发式教学法 方法和辅助手段,引入采样系统的概念,并与学生以前学过的连续系统进行比较,加强学生 板书设计,重点如何对采样系统的认识。课堂教学以教师授课为主,教学中突出重点难点,同 出,难点如何解决时在板书中清晰地表示出来,板书工整、认真、严谨。在课堂教学中,注 师生互动等 意师生互动,采用提问等方式,对教学效果及时进行反馈
西安石油大学教案(课时备课) 第 1 次课 2 学时 章节 第一章 线性离散系统的分析与校正 第一节 离散系统的基本概念 讲授主要内容 1、 本章的主要内容、研究方法及学习方法的介绍。 2、 连续信号与离散信号的区别 3、 采样控制系统的特点——举例说明 4、 采样系统的一些基本概念，采样过程 5、 采样控制系统、数字控制系统 重点 难点 重点：采样开关的特点 难点：保持器（信号复现滤波器）的工作原理 要求掌握知识点和分 析方法 与连续系统比较： 采样系统中增加了采样开关 S，用一个开关符号表示；增加了保持器（或 称信号复现滤波器）；控制器成为脉冲控制器。 数字控制系统是指系统中具有数字式控制器（或称数字编码元件）OR 数 字计算机的控制系统。 采样系统的优点：可以提高系统的灵敏度；可保证足够的计算精度；采 样、数码信号的传递可抑制噪声，抗干扰能力强；可采用多台、分时控制、 设备利用率高。 研究方法：以 Z 变换（断续拉氏变换）为数学基础，将联系系统的理论适 当变换直接应用于离散系统。 教授思路，采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计，重点如何 突出，难点如何解决， 师生互动等 采用板书的形式进行教学。在本节的教学过程中，采用启发式教学法 引入采样系统的概念，并与学生以前学过的连续系统进行比较，加强学生 对采样系统的认识。课堂教学以教师授课为主，教学中突出重点难点，同 时在板书中清晰地表示出来，板书工整、认真、严谨。在课堂教学中，注 意师生互动，采用提问等方式，对教学效果及时进行反馈
作业布置 1画出采样系统的典型结构 2画出数字控制系统的结构图 1胡寿松《自动控制原理》第四版P270第七章第一节 主要 2张子旭《自动控制系统分析与设计》P282第六章第二节 参考资料 3胡寿松《自动控制原理简明教程》P241第七章第一节 4、[日本]绪方胜彦著.离散时间控制系统.西安交通大学出版社,1990年 备注 西安石油大学教案(课时备课) 第2次课 2学时 第一章线性离散系统的分析与校正 第二节信号的采样与保持 采样过程及采样信号数学描述 采样过程、采样器的概念 2采样过程 3采样信号的数学描述 采样过程的物理意义 讲授主要内容二、采样定理 采样信号的频谱分析 2采样定理 三、信号的复现 四、零阶保持器的传递函数 五、零阶保持器的幅频特性、相频特性 重点:采样定理、零阶保持器的传递函数的推导 重点 难点:采样信号的数学描述、采样过程的物理意义,零阶保持器的幅频特性图、 难点 相频特性图的作图方法
作业布置 1 画出采样系统的典型结构 2 画出数字控制系统的结构图 主要 参考资料 1 胡寿松《自动控制原理》第四版 P270 第七章第一节 2 张子旭《自动控制系统分析与设计》P282 第六章第二节 3 胡寿松《自动控制原理简明教程》P241 第七章第一节 4、[日本]绪方胜彦著.离散时间控制系统.西安交通大学出版社,1990 年 备注 西安石油大学教案(课时备课) 第 2 次课 2 学时 章节 第一章 线性离散系统的分析与校正 第二节 信号的采样与保持 讲授主要内容 一、采样过程及采样信号数学描述 1 采样过程、采样器的概念 2 采样过程 3 采样信号的数学描述 4 采样过程的物理意义 二、采样定理 1 采样信号的频谱分析 2 采样定理 三、信号的复现 四、零阶保持器的传递函数 五、零阶保持器的幅频特性、相频特性 重点 难点 重点：采样定理、零阶保持器的传递函数的推导 难点：采样信号的数学描述、采样过程的物理意义，零阶保持器的幅频特性图、 相频特性图的作图方法
1、采样过程:把连续信号变换为离散信号的过程。 2、采样器(采样开关):实现采样的装置称为采样器或采样开关。 3、采样信号的数学描述,物理意义:δ(t-nT)表示了脉冲出现的时刻。而e(nT) 则代了这一时刻的脉冲强度一一输出的幅值。 4、信号采样后,为一串窄脉冲,若要将其恢复成原信号,就需要加保持电路, 即用低通滤波器使当前脉冲幅值一直保持到下一个T到来为止,这样复现的信 要求掌握知识点 和分析方法 号就是原信号的近似值 5、在零阶保持器的输入端作用一个单位理想脉冲,在其输出端产生一个幅值 为1的矩形脉冲的宽度为T。因此,这个矩形脉冲就是零阶保持器的单位脉冲 响应。 6、零阶保持器是一种按恒值规律外推的保持器。其输出信号呈阶梯形,包含 着高次谐波。将阶梯输出信号的各中点连接起来,就得到一条比连续信号滞后 T/2的曲线,所以零阶保持器具有相位滞后的特性。 采用板书的形式进行教学。在本节的教学过程中,采用启发式教学法、反 攵授思路,采用 馈式教学法等方法提高教学质量。课堂教学以教师授课为主,教学中突出重点 学方法和辅助 难点,同时在板书中清晰地表示出来,板书工整、认真、严谨。在课堂教学中, 手段,板书设计 重点如何突出,难 注意师生互动,对教学效果及时进行反馈。同时注意:用作图使学生对采样信 如何解决,师生号的频谱分析掌握。让两个学生上讲台推导零阶保持器的传递函数,然后教师 互动等启发学生掌握幅频特性图、相频特性图的作图方法,边启发学生边在黑板上画 出零阶保持器的幅频特性图、相频特性图。 1叙述采样过程的物理意义 作业布置2叙述采样定理 3、画出零阶保持器的幅频特性图、相频特性图 1胡寿松《自动控制原理》第四版P277第七章第二节 2胡寿松《自动控制原理简明教程》P247第七章第二节 参考资料 3、[日本]绪方胜彦著.离散时间控制系统.西安交通大学出版社,1990年 4张子旭《自动控制系统分析与设计》P287第六章第三节 备注 注意:频谱图的画法、频率用红色粉笔明显标出
要求掌握知识点 和分析方法 1、采样过程：把连续信号变换为离散信号的过程。 2、采样器（采样开关）：实现采样的装置称为采样器或采样开关。 3、采样信号的数学描述，物理意义：δ(t-nT)表示了脉冲出现的时刻。而 e(nT) 则代了这一时刻的脉冲强度——输出的幅值。 4、信号采样后，为一串窄脉冲，若要将其恢复成原信号，就需要加保持电路， 即用低通滤波器使当前脉冲幅值一直保持到下一个 T 到来为止，这样复现的信 号就是原信号的近似值。 5、在零阶保持器的输入端作用一个单位理想脉冲，在其输出端产生一个幅值 为 1 的矩形脉冲的宽度为 T。因此，这个矩形脉冲就是零阶保持器的单位脉冲 响应。 6、零阶保持器是一种按恒值规律外推的保持器。其输出信号呈阶梯形，包含 着高次谐波。将阶梯输出信号的各中点连接起来，就得到一条比连续信号滞后 T/2 的曲线，所以零阶保持器具有相位滞后的特性。 教授思路，采用的 教学方法和 辅助 手段，板书设计， 重点如何突出，难 点如何解决，师生 互动等 采用板书的形式进行教学。在本节的教学过程中，采用启发式教学法、反 馈式教学法等方法提高教学质量。课堂教学以教师授课为主，教学中突出重点 难点，同时在板书中清晰地表示出来，板书工整、认真、严谨。在课堂教学中， 注意师生互动，对教学效果及时进行反馈。同时注意：用作图使学生对采样信 号的频谱分析掌握。让两个学生上讲台推导零阶保持器的传递函数，然后教师 启发学生掌握幅频特性图、相频特性图的作图方法，边启发学生边在黑板上画 出零阶保持器的幅频特性图、相频特性图。 作业布置 1 叙述采样过程的物理意义 2 叙述采样定理 3、画出零阶保持器的幅频特性图、相频特性图 主要 参考资料 1 胡寿松《自动控制原理》第四版 P277 第七章第二节 2 胡寿松《自动控制原理简明教程》P247 第七章第二节 3、[日本]绪方胜彦著.离散时间控制系统.西安交通大学出版社,1990 年 4 张子旭《自动控制系统分析与设计》P287 第六章第三节 备注 注意：频谱图的画法、频率用红色粉笔明显标出
西安石油大学教案(课时备课) 第3次课 2学时 章节第章线性离散系统的分析与校正 第三节Z变换理论 、Z变换 1Z变换的定义 2Z变换的步骤 3求Z变换的方法:1)级数求和法2)部分分式法3)留数法 4Z变换应注意的四个问题(特别强调) 、Z变换的基本定理 1线性定理 讲授主要内容 2实数位移定理:超前定理,延迟定理 复数位移定理 4初值定理、 5终值定理、 、Z反变换 1Z反变换的定义 2求Z反变换的常用方法:(1)幂级数法(长除法)(2)部分分式法(3) 留数法 重点:Z变换的定义:强调是对离散信号的变换而不是对连续信号的变换 求Z变换的方法 Z反变换的定义:Z反变换求出的是离散信号而不是连续信号 难点:用留数法求Z反变换
西安石油大学教案(课时备课) 第 3 次课 2 学时 章节 第一章 线性离散系统的分析与校正 第三节 Z 变换理论 讲授主要内容 一、Z 变换 1 Z 变换的定义 2 Z 变换的步骤 3 求 Z 变换的方法：1）级数求和法 2）部分分式法 3）留数法 4 Z 变换应注意的四个问题（特别强调） 二、Z 变换的基本定理： 1 线性定理 2 实数位移定理:超前定理，延迟定理 3 复数位移定理 4 初值定理、 5 终值定理、 三、Z 反变换 1 Z 反变换的定义 2 求 Z 反变换的常用方法：（1）幂级数法（长除法）（2）部分分式法（3） 留数法 重点 难点 重点：Z 变换的定义：强调是对离散信号的变换而不是对连续信号的变换 求 Z 变换的方法 Z 反变换的定义：Z 反变换求出的是离散信号而不是连续信号 难点：用留数法求 Z 反变换
