附录1. 拉普拉斯变换
附录1.1 拉氏变换的定义
如果有一个以时间为变量的函数()f t ，它的定义域是0t >，那么拉氏变换就是如下运算式
()()st t F s f t e dt ∞
=? A-1
式中s 为复数。一个函数可以进行拉氏变换的充分条件是 （1） 在0t <时，()0f t =；
（2） 在0t ≥时的任一有限区域内，()f t 是分段连续的； （3）
()st f t e dt ∞
<∞?
在实际工程中，上述条件通常是满足的。式A-1中，()F s 成为像函数，()f t 成为原函数。为了表述方便，通常把式A-1记作
()[()]F s L f t =
如果已知象函数()F s ，可用下式求出原函数
1
()()2c j st c j f t F s e ds j π+∞-∞
=
? （A-2）
式中c 为实数，并且大于()F s 任意奇点的实数部分，此式称为拉氏变换的反变换。同样，为了表述方便，可以记作
1()[()]f t L F s -=
为了工程应用方便，常把()F s 和()f t 的对应关系编成表格，就是一般所说的拉氏变换表。表A-1列出了最常用的几种拉氏变换关系。
一些常用函数的拉氏变换
附录1.1.1 单位阶跃函数的拉氏变换
这一函数的定义为 0, 0()0, 0t u t t ?
它表示0t =时，突然作用于系统的一个不变的给定量或扰动量，如图3-1所示。单位阶跃函数的拉氏变换
为
0011
()[]st st F s e dt e s s
∞--∞==-=? 在进行这个积分时，假设s 的实部比零大，即Re[]0s >，因此
lim 0st t e -→∞
→
附录1.1.2 单位脉冲函数的拉氏变换
单位脉冲函数也是作为自动控制系统常用的标准输入量。它是在持续时间0ε→期间内作用的矩形波，
其幅值与作用时间的乘积等于1，如图3-3所示。其数学表达式为00, 0()1
lim 0 t t t t εεδεε
→>>??
=?<
000022
0[()]()lim ()1
1
lim[]lim [1]1 lim [1()]1
1!2!
st st s L t s t e dt
e e s
s s s s ε
εεεεεεδδδεεεεε-→--→→→===?=-=-++=?L
附录1.1.3 单位斜坡时间函数和抛物线时间函数的拉氏变换
单位斜坡时间函数为0,0
(),0t f t t t ?
如图3-2所示，斜坡时间函数的拉氏变换为
022011
()[]st st st t F s te dt e e s s s
∞---∞==-+=?。Re[]0s > 同理单位抛物线函数为
21
()2
f t t =
其拉氏变换为3
1
()F s s =
，Re[]0s >。 附录1.1.4 正弦和余弦时间函数的拉氏变换
正弦函数的拉氏变换为
00()()0022
1[sin ]()sin ()211 22111
()
2 st j t
j t st s j t s j t
L t F s te dt e e e dt j
e dt e dt j j j s j s j s ωωωωωωωωω
ω∞
∞---∞∞---+===
-=-=--+=
+????
同理求得余弦函数的拉氏变换为
22
[cos ]()L t F s s ω
ωω==
+
常用的拉氏变换法则（不作证明）
1. 线性性质 拉氏变换也遵从线性函数的齐次性和叠加性。拉氏变换的齐次性是一个时间函数乘以常
数时，其拉氏变换为该时间函数的拉氏变换乘以该常数，即(())()L af t aF s = 拉氏变换的叠加性是：若1()f t 和2()f t 的拉氏变换分别是1()F s 和2()F s ，则有
1212[()()]()()L f t f t F s F s +=+
2．微分定理 原函数的导数的拉氏变换为
()()(0)df t L sF s f dt ??=-????
式中 (0)f ——()f t 在0t =时的值。 同样，可得()f t 各阶导数的拉氏变换是
222
()()(0)'(0)d f t L s F s sf f dt ??=--????
3323
()()()'(0)''(0)d f t L s F s s f s sf f dt ??=---????
L L L L L L L L
121()()()'(0)(0)n n n n n n
d f t L s F s s f s s f f dt ---??=---????
L L 如果上列各式中所有的初始值都为零，则各阶导数的拉氏变换为
['()]()L f t sF s =
2[''()]()L f t s F s = 3['''()]()L f t s F s =
L L L L L L L L [()]()n n L f t s F s =
图1 平移函数
3．积分定理 原函数()f t 积分的拉氏变换为
(())()
()t f t dt F s L f t dt s
s
=??=
+???? 当初始值为零时
()
()F s L f t dt s
??=
??? 4．时滞定理 如图A-1所示，原函数()f t 沿时间轴平移T ，平移后的函数为()f t T -。该函数满
足下述条件
0t <时，()0f t = 0t T <<时，()0f t T -=
则平移函数的拉氏变换为
[()]()()st sT L f t T f t T e dt e F s ∞
---=-=?
这就是时滞定理。
5．初值定理 如果原函数()f t 的拉氏变换为()F s ，并且lim ()s sF s →∞
存在，则时间函数()f t 的初值为
lim ()lim ()t s f t sF s →→∞
=
表A-1 拉普拉斯变换对照表
6．终值定理 如果原函数()f t 的拉氏变换为()F s ，并且()sF s 在s 平面得右半平面和虚轴上是解析的，则时间函数()f t 的稳态值可如下求得
lim ()lim ()t s f t sF s →∞
→=
这一定理对于求暂态过程的稳态值是很有用的。但是，当()sF s 的极点的实部为正或等于零时，不能应用终值定理。这一点必须注意。在下面的例题中，还要说明。
例1 应用初值定理求2
1
()(2)F s s =+的原函数()f t 的初始值(0)f 和'(0)f 。
(1) 求()0f 。根据初值定理()()0lim s f sF s →∞
=得
()()
2
10lim
lim
0424s s s
f s s s
→∞
→∞
===+++
(2) 求()0f '。因为
()()()()
()2
002s
L f t sF s f f s '=-=
-????+
将已求得的()00f =带入上式得
()()
2
2s
L f t s '=
????+
根据初值定理得
()()
2
2
1
0lim lim
14421s s s
f s
s s s
→∞
→∞'===+++
可以校核这一结果的正确性，由
()()L F s f t -=????
得
()2t f t te -=
()20
0lim 0t t f te -→==
()220
0lim 21t t
t f e te --→'??=-=??
例2 应用终值定理求()55t f t e -=-的终值。 因 ()()
5
1F s s s =+
所以得
()()()
05
lim lim lim
51t s s f t sF s s →∞
→→===+
也可以按下式求()f t 的终值
()lim lim(55)5t t t f t e -→∞
→∞
=-=
例3 应用终值定理()22
F s s ω
ω
=+原函数的终值，并用()sin f t t ω=的终值进行校核。 由于()22
s sF s s ω
ω=
+有两个极点在虚轴上，所以不能应用终值定理。如用终值定理，则得
()()22
0lim lim lim
0t s s s f t sF s s ω
ω→∞
→→===+
这个结论是错误的，因为表1A -得知原函数为()sin f t t ω=，该函数为周期性的简谐振荡函数，没有终值。
7. 卷积和定理 如果时间函数()1f t 和()2f t 都满足条件：
当0t <时，()()120f t f t ==
则()1f t 和()2f t 的卷积为
()()()()12120t
f t f t f f t d τττ*=-?
由于卷积符合交换律，卷积也可写成
()()()()21210t
f t f t f f t d τττ*=-?
()()()()1221f t f t f t f t *=*
如果()1f t 和()2f t 是可以进行拉氏变换的，()()11F s L f t =????，()()22F s L f t =????。那么()()12f t f t *的拉氏变换可求得如下
()()()()12120t
L f f t d F s F s τττ??-=????
? 这称为卷积定理。根据卷积符合交换律得
()()()()21210t
L f f t d F s F s τττ??-=????
? 因此
()()()()()()()()12211221L f t f t L f t f t F s F s F s F s *=*==????????
8. 位移性质 如果()()L f t F s =????，则有
()()at L e f t F s a -??=+??，[]Re 0s a +>
附录1.2 拉普拉斯反变换
求反变换的运算公式是
()()1
2c j st c j f t F s e ds j π+∞-∞
=
?
用上式求反变换显然是很复杂的，但是对与绝大多数控制系统，并不需要利用这一公式求解反变换，而是
按照下面的方法求反变换。
在控制系统中，拉氏变换可以写成下列一般形式
()10111011m m m m
n n n n
b s b s b s b F s a s a s a s b ----++??????++=++??????++ ()3A -
一般n m >。式3A -可以分解为诸因式之积：
()()()()
()()()
1212m n K s z s z s z F s s p s p s p ++??????+=
++??????+ ()4A -
式中当12, , , m s z s z s z =-=-??????=-时，()0F s =。因此，12, , , m z z z --??????-称为复变函数()F s 的零点。
当12, , , n s p s p s p =-=-??????=-时，()F s =∞，因此，12, , , n p p p --??????-称为复变函数()
F s 的极点。
对于4A -式所示的拉氏变换，可以用部分分式展开，然后查拉氏变换表来求原函数。
1. 只包含不相同极点时的反变换()f t 因为各极点均不相同，因此()F s 可以分解为诸分式之和
()12
12n n
A A A F s s p s p s p =
++??????+
+++ 式中的12, , , n A A A ??????为常数，i A 称为i s p =-的留数，该值可以按下式求出。
lim ()()i
i i s p A s p F s →-=+
即
[()()]i i i s p A F s s p =-=+
当各项系数求出后，可按下式求原函数()f t
11111212()[()][
][][]n n
A A A
f t L F s L L L s p s p s p ----==++++++L 因 1[]i p t
i i
i
A L Ae s p --=+ 故得
1212()n p t p t p t n f t A e A e A e ---=+++L L ，0t ≥
例4 求下列拉氏变换得反变换
（1）已知 3
()(1)(2)
s F s s s +=++，求1()[()]f t L F s -=。
将()F s 分解为部分分式
12()12
A A F s s s =
+++ 式中
113
[
(1)]2(1)(2)
s s A s s s =-+=+=++，
223
[
(2)]1(1)(2)
s s A s s s =-+=+=-++
于是 2()2t t f t e e --=-，0t ≥
（2）已知32465
()(1)(2)
s s s F s s s +++=++，求1()[()]f t L F s -=。
因上式中得分子得幂次大于分母s 得幂次，在求其反变换前，先将分子除以分母，得
3
()1(1)(2)s F s s s s +=++
++ 对上式中得三项分别求拉氏反变换
11113
()[()][][1][
](1)(2)
s f t L F s L s L L s s ----+==++++
式中 1()
[]d t L s dt
δ-=
； 1[1]()L t δ-=；
123
[
]2(1)(2)
t t s L e e s s ---+=-++
因此得到原函数为
2()
()()2t t d t f t t e e dt
δδ--=
++-，0t ≥ 2．包含共轭复极点得反变换 如果()F s 有一对共轭极点，则可利用下面得展开式简化运算。设1p -，2p -为共轭极点，则
312
123()()()n n
A A A s A F s s p s p s p s p +=
+++
++++L L 式中的1A 及2A 可按下式求解
111212[()()()][]s p s p F s s p s p A s A =-=-++=+
因为1p -是一个复数值，故等号两边都是复数值。使等号两边的实数部分和虚数部分分别相等，得两个方程式。联立求解，即得到1A 及2A 两个常数值。
例5 已知012221
()(1)1
A A s A s F s s s s s s s ++==+
++++，求()f t 。 三个极点分别为
0s =
，1,210.50.8662s j =-±=-± 确定各部分分式得待定系数
0021
[
]1(1)
s s A s s s s =+==++
因 20.50.866122(1)(1)
[
](0.50.866)(1)
s j s s s A j A s s s =--+++=--+++ 可得
120.50.866
(0.50.866)0.50.866
j A j A j -=--+--
即
212120.50.866(0.50.866)(0.50.866)(0.50.866)(0.50.866)j A j A j A j A j -=--+--=-++--
使等号两端得实部和虚部分别相等，得
120.50.50.5A A --= 120.8660.8660.866A A -=-
解之得
11A =-，20A =
所以
2222
2
110.50.5
()1(0.5)(0.866)(0.5)(0.866)s s F s s s s s s s +=-=-+++++++ 则
12222
10.50.5()[](0.5)(0.866)(0.5)(0.866)s f t L s s s -+=-+++++
0.50.51cos0.8660.57sin0.866t t e t e t --=-+，0t ≥
3．包含有r 个重极点时的反变换 如果有r 个重极点，则()F s 可写为
12012()()()
()()()()()
m r r r n K s z s z s z F s s p s p s p s p +++++=++++L L L L
将上式展开成部分分式
010201
10001()()()r n r r r r n
A A A A A F s s p s p s p s p s p +-+=
++++++
+++++L L L L 在上式中，12,r r A A ++L L 的计算与在单极点情况下求待定系数的方法相同，而01020,r A A A L L 的求法如下：
{}
00
0100201001100
1()()[()()]1[()()](1)!1[()()](1)!r s p r s p i r
i i s p
r r
r r s p
A s p F s d A s p F s ds d A s p F s i ds d A s p F s r ds =-=---=---=-=+??
=+??
????=+?
?-????=+??-??L L L L L L L L
L L L L L L L L
则具有r 个重极点的拉氏反变换为
0(1)12010201(),0(1)!(2)!n r p t p t p t r r r r n A A f t t t A e A e A e t r r ---+--+??
=++++++≥??--??
L L
例6 求23
()(2)(1)
s F s s s +=
++的拉氏反变换
将()F s 分解为部分分式
010203
2()(2)21
A A A F s s s s =
++
+++ 上式中各项系数为
20122
20222032
1
3(2)1(2)(1)3(2)2(2)(1)3(1)2(2)(1)s s s s A s s s d s A s ds s s s A s s s =-=-=-??+=+=??++??????+??=+=-????++?????
???+=+=??++?? 于是得
2122
()(2)(2)1
F s s s s -=-+
+++ 所以原函数为
2()(2)2,0t t f t t e e t --=-++≥
附录1.3 用拉氏变换求解系统得暂态过程
上面介绍了用拉氏变换解常系数线性微分方程的方法，今举例说明用这种方法求解系统的暂态过程。 例７ 设一线性系统的微分方程为
22566()c c
c d x dx x u t dt dt
++=
并设初始条件是
(0)2,(0)2c c x x ==&
求输出量()c x t 。
系统微分方程的拉氏变换为
2()(0)(0)5()5(0)6()6/c c c c c c s X s sx x sX s x X s s --+-+=&
代入初始条件的值并整理得()c X s 如下方程
22221262126
()(56)(3)(2)
c s s s s X s s s s s s s ++++==++++
将上式展开为部分分式
012()32
c A A A X s s s s =
++++ 式中
[][][]001322()1()(3)4()(2)5
c s c s c s A X s s A X s s A X s s ==-=-===+=-=+= 因此
145
()32
c X s s s s =-+
++ 利用表1A -就可求出上式的拉氏反变换为
32()145t t c x t e e --=-+
上述解由两部分组成，稳态解为１，暂态解为32(45)t t e e ---+。系统的稳态解也可以用终值定理求得
2002126
lim ()lim ()lim 1(3)(2)
c c t s s s s x t sX s s s →∞→→++===++ 例８ 图27-所示闭环速度自动控制系统的微分方程式是
22()11(1)y g d m m h h e h K U t T T d n T dn
n K dt K dt C K ++=
+++ 给定量为阶跃函数时，其拉氏变换为 ()g
g U U s s
=
设初始值为零，微分方程式的拉氏变换为
2(1)()11(1)y g d m m h h e h K U T T T
s s n s K K C K s ++=
+++ 于是得
2/()(1)(1)11y g e
d m m h h h
K U C n s T T T s s s K K K =
+++++
设系统的参数如下：
0.2,100,4,0.5,0.1e y h m d C K K T s T s =====
则 222012
22100100()(0.010.11)(10100)
100()
10100
g g
g U U n s s s s s s s A A s A U s s s ==
+++++=+++
特征方程的根为
1,20,5(1s s ==-± 求各项系数得
020
11(10100)100s A s s s s =??==??++??
又由
2
25(11(10100)(10100)s s s s s s =-+??++??
++??
012225(1()(10100)10100s A A s A s s s s s =-++??=+++??++??
得
125(1A A =-++
令等号两边的实部和虚部分别相等，得 1211, 10010
A A =-=- 所以
2
110
()100()
10100
1
100
g
g
s
n s U
s s s
U
s
+
=-
++
?
?
=?
?
???查表1
A-得原函数
5
5
5
()1001
1
1001sin sin
2
1001sin,0
3
t
g
t
g
t
g
n t U e
U
U t
π
-
-
-
??
??
=-
??
?
??
??
???
=+
????
??
??
??
??
??
=+≥
?
??
??
??
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。 如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、
《自动控制原理》教学大纲 课程类别：专业必修课课程名称：自动控制原理 开课单位：飞行器设计与工程专业建设组课程编号：N02010102 总学时：64学分：4 适用专业：飞行器设计与工程 先修课程：高等数学、大学物理、理论力学、机械原理、电工技术等 一、课程在教学计划中的地位、作用 《自动控制原理》是飞行器设计与工程专业的一门必修课，通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基本原理和概念，并具备对自动控制系统进行分析，计算，实验的初步能力，为专业课的学习和参加控制工程实践提供必要的理论基础。通过对本课程的学习，要求学生掌握自动控制的基本理论和基本分析方法，能应用控制理论对自动控制系统进行性能分析，能对系统进行校正和提出改善系统性能的途径和方法。 二、课程内容、基本要求 1、掌握常规控制器和自动控制系统的组成及其相互关系。 2、了解对自动控制系统的性能要求及分析系统性能的方法。 3、掌握用传递函数，方框图，信号流图及状态空间描述建立系统数学模型的方法。 4、掌握常规控制器的基本控制规律、动态特性和对控制系统的作用。 5、掌握对控制系统进行分析和综合的方法：时域分析法、频域分析法、根轨迹法及状态空间分析法。 6、初步掌握控制系统的校正和设计方法，为解决实际问题打好基础。 第一章自动控制的一般概念（3学时） 教学要求： （1）明确什么是自动控制；正确理解被控对象、被控量、控制装置和自控系统等概念；
（2）正确理解三种控制方式，特别是闭环控制； （3）初步掌握由系统工作原理画方框图的方法，并能正确判别系统的控制方式； （4）明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征，特别是按数学模型分类的方式； （5）明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。 重点和难点重点：掌握线性与非线性系统的分类，特别是对线性系统的定义、性质、判别方法要准确理解。难点：线性系统的准确理解。 教学方式本章采用课堂讲授、多媒体教学相结合的教学形式。 教学内容 1-1自动控制的基本原理与方式 1-2自动控制系统示例 1-3自动控制系统的分类 1-4对自动控制系统的基本要求 1-5自动控制系统的分析与设计工具 第二章控制系统的数学模型（12学时） 教学要求 （1）正确理解数学模型的特点，对系统的相似性、动态模型、静态模型、输入变量、输出变量、中间变量等概念，要准确掌握，掌握动态微分方程建立的一般方法； （2）掌握运用拉氏变换解微分方程的方法，并对解的结构、运动模态与特征根的关系、零输入响应有清楚的理解； （3）正确理解传递函数的定义、性质和意义，特别对传递函数微观结构的分析要准确掌握； （4）正确理解由传递函数派生出来的系统的开环传递函数、闭环传递函数、前向通道传递函数的定义，并对重要传递函数如：控制输入下闭环传递函数、扰动输入下闭环传递函数、误差传递函数、典型环节传递函数，能够熟练掌握。 （5）掌握系统结构图和信号流图两种数学图形的定义和组成方法，熟练掌握等效变换代数法则，简化图形结构，并能用梅逊公式求系统传递函数。
《课堂教学设计：基于课程标准，注重目标导向》 摘自《上海教育》2015年第二期 《课堂教学设计：基于课程标准，注重目标导向》一文很有针对性，对于厘清教学流利与教学目标等关系具有指导意义，现摘录部分，与大家一起分享，也算上假期中的精神食粮吧。 课程实施是课程教材改革的重要组成部分，课堂教学是课程实施的基本途径。在推进课程教材改革的过程中，需要我们聚焦课堂，关注教学；加强课堂教学研究，遵照教育规律来实施教学。 教学是有明确目的性的活动。教师在教学活动开始前，需要对整个活动有一个整体的计划，对师生双方的活动进行全面的思考和细致的设计。旧的教学观偏重于传承知识，注重于教学生“学会”，对于教学准备工作的要求，通常就是根据教学大纲、教科书和教学参考书等进行备课和撰写 教案；现代的教学观倡导在关注知识传承的同时，更加注重创新，注重于教学生“会学”，学校教育强调全面提高学生素质、培养学生各种能力和创新精神。教学是由教学目标、内容、手段、方法以及教学组织形式、教师和学生等诸多要素组成的复杂系统，教学功能的有效发挥取决于整体教学系统的协调运行。可见，原有的经验型备课不能适应当今学校教育的要求，应向现代教育思想指导下的科学型教学设计转变。 一、课堂教学设计概述 关于教学设计，可以概述为“运用现代学习和教学的相关理论与技术，对教学中的问题和需要进行分析，进而设计和试行解决问题方法，评价试行结果，并在评价的基础上改进设计的一个系统过程。” 课堂教学设计是指微观层面的教学设计，通常就是对课程实施中某一单元或一节课进行设计。如果是单元设计， 1
此时安排的课时数通常不止１课时。 课堂教学设计是连接教学理论和教学实践的一座桥梁，是对教学活动的一种构思，它不仅是一个重要的工作环节，也是一项复杂的教学技术。 课堂教学设计的指导原则是：基于课程标准，注重目标导向。 “基于课程标准”，最重要的体现在于其设计思想符合课程理念，教学目标源于课程标准，教学设计关注的重点就是切实有效地组织、开展教学活动，为实现教学目标服务。 “注重目标导向”，是强调尊重教学实际，正确处理预设和生成的关系，教学设计注重于发挥教学目标对教学的正确导向作用，重视为展现教学过程的动态生成创造条件。 二、课堂教学设计环节 课堂教学设计的整体要求，就是为了实现教学目标的 达成，切实解决以下三大任务：“教什么”、“怎么教”、“实现教学过程最优化”。 1.目标任务分析。课程标准中的内容标准所阐述的是 学生经过学习后能够知道什么、理解什么、做到什么，以及其情感方面的发展。进行课程目标分解要深入分析内容标准，明确内容标准中所表达的核心观念以及需要在教学中解决的基本教学问题等，然后从支持和促进学生学习的角度提出课时目标，可把“过程与方法”、“态度情感与价值观”的目标要求有机地自然地整合在“知识与技能”的学习要求中。然后再提出本课教学的“重点”和“难点”。 有了“目标任务分析”的关于确定“教学目标”、“教学重点难点”的深入研讨，可以比较完整地解决“教什么”的问题。 2.教学目标设计。是指对于本课教学所预期的学习结 果，即预期学生“学会什么”。教学目标也是学生的学习目 2
附录1. 拉普拉斯变换 附录1.1 拉氏变换的定义 如果有一个以时间为变量的函数()f t ，它的定义域是0t >，那么拉氏变换就是如下运算式 ()()st t F s f t e dt ∞ =? A-1 式中s 为复数。一个函数可以进行拉氏变换的充分条件是 （1） 在0t <时，()0f t =； （2） 在0t ≥时的任一有限区域内，()f t 是分段连续的； （3） ()st f t e dt ∞ <∞? 在实际工程中，上述条件通常是满足的。式A-1中，()F s 成为像函数，()f t 成为原函数。为了表述方便，通常把式A-1记作 ()[()]F s L f t = 如果已知象函数()F s ，可用下式求出原函数 1 ()()2c j st c j f t F s e ds j π+∞-∞ = ? （A-2） 式中c 为实数，并且大于()F s 任意奇点的实数部分，此式称为拉氏变换的反变换。同样，为了表述方便，可以记作 1()[()]f t L F s -= 为了工程应用方便，常把()F s 和()f t 的对应关系编成表格，就是一般所说的拉氏变换表。表A-1列出了最常用的几种拉氏变换关系。 一些常用函数的拉氏变换 附录1.1.1 单位阶跃函数的拉氏变换 这一函数的定义为 0, 0()0, 0t u t t ? 它表示0t =时，突然作用于系统的一个不变的给定量或扰动量，如图3-1所示。单位阶跃函数的拉氏变换 为 0011 ()[]st st F s e dt e s s ∞--∞==-=? 在进行这个积分时，假设s 的实部比零大，即Re[]0s >，因此 lim 0st t e -→∞ →
物理电子工程学院《自动控制原理》课程教学大纲课程编号：04210164 课程性质：专业必修课 先修课程：高等数学、函数变换、模拟电路、电路分析 总学时数：76 学分：4 适合专业：电子信息工程、机械与电子工程、机械自动化、电器自动化、通信、包装工程等专业 (一) 课程教学目标 自动控制理论是电子信息科学与技术专业的一门重要的专业基础课程。它侧重于理论角度，系统地阐述了自动控制科学和技术领域的基本概念和基本规律，介绍了自动控制技术从建模分析到应用设计的各种思想和方法，内容十分丰富。通过自动控制理论的教学，应使学生全面系统地掌握自动控制技术领域的基本概念、基本规律和基本分析与设计方法，以便将来胜任实际工作，具有从事相关工程和技术工作的基本素质，同时具有一定的分析和解决有关自动控制实际问题的能力。 (二) 课程的目的与任务 本课程是电子通信工程、机电一体化、包装工程等专业、工科及相关理科的必修基础课程。通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基础理论，并具有对简单连续系统进行定性分析、定量估算和初步设计的能力，为专业课学习和参加控制工程实践打下必要的基础。学生将掌握自动控制系统分析与设计等方面的基本方法，如控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、状态空间分析法、采样控制系统的分析等基本方法等。为各类计算机控制系统设计打好基础。 (三) 理论教学的基本要求 1、熟练掌握自动控制的概念、基本控制方式及特点、对控制系统性能的基本要求。 2、熟练掌握典型环节的传递函数、结构图化简或梅森公式以及控制系统传递函数的建立和表示方法，初步掌握小偏差线性化方法和通过机理分析建立数学模型的方法。
第一章自动控制的基本知识 ? 1.1自动控制的一般概念 ? 1.2自动控制系统的组成 ? 1.3自动控制系统的类型 ? 1.4 对控制系统性能的要求 1.1.1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。 1.1.2自动控制理论的发展过程 ?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。 ?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。 ?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。 1.2自动控制系统的组成 1.2.1自动控制系统的结构与反馈控制理论 ?图中为放水阀，为进水阀，水箱希望的液位高度为。当放水使得水箱液位降低而被 人眼看到，人就会打开进水阀，随着液位的上升，人用大脑比较并判断水箱液位达到时，就会关掉。若判断进水使得实际液位略高于，则需要打开放水而保证液位高度。 ?在这个过程中，人参与了以下三个方面的工作：
基于课程标准的教学设计 培养良好的习惯(3) 【课题名称】 苏教版小学语文二年级上册《培养良好的习惯3》 【标准相关陈述】 1、基于课程标准 <<语文课程标准>>指出:要十分重视学生良好学习习惯的培养。良好习惯对养成人的良好素质至关重要，它可以使学生终身受益。因此，要继续坚持指导学生保持正确的读写姿势，务必使学生养成“姿势不对不读书”“姿势不对不写字”以及“既要把字写对，更要把字写好”的习惯。 2.基于学生实际 对于二年级的学生来说，他们已经形成了一些好习惯，但由于他们的年龄特点，还需不断培养，促进良好学习习惯的养成。 教学目标： 1．观察图画，借助图画去理解图画内容。 2．正确、全面地理解习惯的要求，并从中受益。 3．鼓励学生按要求去做，坚持下去，形成习惯。 教学重点： 激发兴趣仔细看图，明确图的内容及要求。 教学时间：二课时 教学过程： 第一课时
一、谈话引入，激发兴趣。 1、同学们，今天我们又见面了．一个暑假没见，不知大家是不是变聪明了？先请大家看一幅图，看看谁是最棒的。 2．出示图片，（第一页的上幅图）瞧，这就是我要大家看的，请看仔细了，看谁说得最准确。 （看图——小组讨论——全班交流——评价指导） 这位学生在读书——在朗读（朗读是出声的读书，一般早上才这样读书。）相机板书（朗读） 3、要求自己看书的下面一幅插图，用一句完整的话来说图上的内容，把图上的内容说具体说完整。（要求通过说话指导，让学生明白朗读的要求——坐姿、精力等方面的注意点） 4、明确作用：预习课文、复习旧知、积累词语、形成能力。 二、交代学法，自主学习。 1、要求学生按照这样的学法，看第二页的图，自主学习。 （自由看图——各自练说——小组讨论——班内交流——达成共识） 这页图的内容是：背诵（相机板书）上面一幅图是老师带着同学们在看图背诵。下面几幅图是学生在课内外以各种
第三章控制系统的时域分析 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，实验学时2学时。 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。
自动控制原理电子教案 经典控制部分 第一章控制理论一般概念3学时 (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io学时 (15) 第五章频率特性12学时 (26) 第六章控制系统的校正与设计8学时 (36) 第七章非线性系统8学时 (40) 第八章离散控制系统8学时 (45)
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。
1．教学主要内容 ： 本讲主要介绍控制工程研究的主要内容、 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， 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。 [教案 1-1] 第一节 概述 控制理论的发展、 控制理论在工程 给出定义，并以瓦特发明的蒸汽机
基于标准的《岳阳楼记》教学方案 【教学内容】《义务教育课程标准实验教科书·语文》（人教版）八年级下册第200页——204页。 【课程标准】 《岳阳楼记》属于“阅读”领域中的内容。课程标准的要求是：“通过阅读浅易文言文，能借助注释和工具书理解基本内容。” 【学情与教材分析】 九年级学生已经具有一定的阅读古文的能力。《岳阳楼记》是义务教育课程标准实验教科书八年级下册的一篇文言文。它是一篇散文，以“记”为名，先叙事后写景，进而由景入情，因情而生发议论，环环相扣，层层蓄势，表达了作者范仲淹的“先天下之忧而忧，后天下之乐而乐”的政治抱负和“不以物喜，不以己悲”的阔大胸襟。文章句式长短错落有致，大量使用骈句，语言凝练，形象而富有音乐美。【学习目标】 1、掌握本课文体知识，重点词语和句子的翻译，教给学生复习方法。 2、理清课文思路，理解课文内容。 3、针对本文，强化内容理解，并培养学习文言文能力。 【教学重点】 1、掌握本课重点词语和句子的翻译，教给学生复习方法。 2、理清课文思路，理解课文内容。 【教学准备】 多媒体课件。
【评价设计】 1、交流式评价：通过课堂上学生回答问题情况，师生交流情况和生生对话交流情况检测学习目标1的达成； 2、表现性评价：通过小组合作操作过程、讨论表现、学生问题汇报情况检测目标2的达成； 3、选择性反应评价：通过课堂上提问，课后拓展练习检测的掌握情况，检测学习目标3的达成。 【评价题目】 详见学习过程“达标测评”。 【学习过程】 自主学习 1、背诵课文（能熟练背诵） 2、找出本文的通假字写到下面并解释： 3、整理并掌握这些词语。 观予观夫巴陵胜状通政通人和 此则岳阳楼之大观也北通巫峡 极南极潇湘去去国怀乡 感极而悲者矣西蜀之去南海 和至若春和景明空浊浪排空 政通人和而或长烟一空 或而或长烟一空一一碧万顷
第7章 拉普拉斯变换 令狐采学 拉普拉斯(Laplace)变换是阐发和求解常系数线性微分方程的一种简便的办法，并且在自动控制系统的阐发和综合中也起着重要的作用．本章将简明地介绍拉普拉斯变换（以下简称拉氏变换）的基本概念、主要性质、逆变换以及它在解常系数线性微分方程中的应用． 7.1拉氏变换的基本概念 在代数中，直接计算 是很庞杂的，而引用对数后，可先把上式变换为 164 .1lg 53 )20lg 28.9lg 5781(lg 3128.6lg lg ++-+=N ， 然后通过查经常使用对数表和否决数表，就可算得原来要求的数 N ． 这是一种把庞杂运算转化为简单运算的做法，而拉氏变换则是另一种化繁为简的做法． 7.1.1 拉氏变换的基本概念 界说 设函数)(t f 那时0≥t 有界说，若广义积分dt e t f pt ?∞ +-0)(在P 的某一区域内收敛，则此积分就确定了一个参量为P 的函数，记作)(P F ，即 dt e t f P F pt ? ∞ +-= )()(（71） 称（71）式为函数)(t f 的拉氏变换式，用记号)()]([P F t f L =暗示．函数)(P F 称为)(t f 的拉氏变换(Laplace) (或称为)(t f 的象函数)．函数)(t f 称为)(P F 的拉氏逆变换（或称为)(P F 象原函数），记作 )()]([1t f P F L =-，即)]([)(1P F L t f -=． 关于拉氏变换的界说，在这里做两点说明： (1) 在界说中，只要求)(t f 在0≥t 时有界说．为了研究拉氏变换性质的便利，以后总假定在0 普通高中语文课程标准（通用） （一）指导思想 普通高中教育是面向大众的、与九年义务教育相衔接的基础教育。社会的发展对我国高中教育提出了新的任务和要求。必须顺应时代的需要，调整课程目标和学习内容，变革学习方式和评价方式，构建具有时代性、基础性和选择性的高中语文课程。高中语文课程要充分发挥其促进学生发展的独特功能，使全体高中学生获得应该具备的语文素养，并为学生的不同发展倾向提供更大的学习空间。 高中语文课程的建设，应以马克思主义和教育科学理论为指导，在义务教育语文课程改革的基础上继续推进。高中语文课程要为造就时代所需要的多方面人才,增强民族的生命力、创造力和凝聚力，发挥应有的作用。 （二）课程性质 语文是最重要的交际工具，是人类文化的重要组成部分。工具性与人文性的统一，是语文课程的基本特点。 高中语文课程应进一步提高学生的语文素养，使学生具有较强的语文应用能力和一定的审美能力、探究能力，形成良好的思想道德素质和科学文化素质，为终身学习和有个性的发展奠定基础。 （三）课程的基本理念 高中语文课程继续坚持《全日制义务教育语文课程标准（实验稿）》提出的基本理念，根据新时期高中语文教育的任务和学生的需求，从“知识和能力”、“过程和方法”、“情感态度和价值观”三个维度出发设计课程目标，努力改革课程的内容、结构和实施机制。 1．充分发挥语文课程的育人功能，全面提高学生的语文素养及整体素质。 高中语文课程应帮助学生获得较为全面的语文素养，在继续发展和不断提高的过程中有效地发挥作用，以适应未来学习、生活和工作的需要。 高中语文课程必须充分发挥自身的优势，弘扬和培育民族精神，使学生受到优秀文化的熏陶，塑造热爱祖国和中华文明、献身人类进步事业的精神品格，形成健康美好的情感和奋发向上的人生态度；应增进课程内容与社会发展、科技进步和学生成长的联系，引导学生积极参与实践活动，学习认识自然、认识社会、认识自我、规划人生，实现本课程在促进人的全面发展方面的价值追求。 2．注重语文应用、审美与探究能力的培养，促进学生均衡而有个性地发展。 高中语文课程，应注重应用，加强与社会发展、科技进步的联系，加强与其他课程的沟通，更新内容，以适应现实生活和学生自我发展的需要。要使学生掌握语言交际的规范和基本能力，并通过语文应用养成认真负责、实事求是的科学态度。 审美教育有助于促进人的知情意全面发展。文学艺术的鉴赏和创作是重要的审美活动，科学技术的创造发明以及社会生活的许多方面也都贯串着审美追求。未来社会更需要美，崇尚对美的发现、追求和创造。语文具有重要的审美教育功能，高中语文课程应关注学生情感的发展，让学生受到美的熏陶，培养自觉的审美意识和高尚的审美情趣，培养审美感知和审美创造的能力。 未来社会要求人们思想敏锐，富有探索精神和创新能力，对自然、社会和人生具有更深刻的思考和认识。高中学生身心发展渐趋成熟，已具有一定的阅读表达能力和知识积累，发展他们的探究能力应成为高中语文课程的重要任务。应在继续提高学生观察、感受、分析、判断能力的同时，重点关注学生思考问题的深度和广度，使学生增强探究意识和兴趣，学习探究的方法，使语文学习的过程成为积极主动探索未知领域的过程。 3．遵循共同基础与多样选择相统一的原则，构建开放、有序的语文课程。 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） 基于新课标的教学设计 新课标实施后，教师应该如何设计课堂教学？我们可以通过剖 析3个课堂教学实例，解读其中的关键部分。 第一，学习任务在真实情境中生成。 《向先烈致敬》是***市***中学教师***设计和执教的“实用性阅读与交流”的单元教学最后一课，单元总任务是：百年校庆即将到来，请学生结合对孙中山先生及其战友和对***市***中学的认识，策划并运营“我们前进在先烈路上”微信公众号，向校庆献礼。 ***说，这是“四无”的新课——无教材、无课型、无资源、无 案例，一切只能根据自己对新课标的理解设计。单元教学结束后，他 总结了五点：一是教师的解放。以前困于教材，现在是利用教材。教 师要懂教材、用好教材。二是教材的重组。年级与学科的跨越、课内 与课外的结合、学校与社会的连通、文本与活动的共融都使语文课堂充满艺术性。三是任务驱动。任务唤醒了学生学习的主动性，实践、 合作则让学生知能生成。四是资源的采集。教师根据任务群教学需要选择阅读内容，不仅是书籍，还有社科文献、展览馆及其他跨媒介阅 读内容，针对性强、指向性明，学生收获也更多。五是素养的培养。 教学中时时处处都有语言建构、审美养成与思维训练，学生学科核心素养的培养不知不觉渗透其中。 整个任务群，从任务布置到公众号设计成形，体现了“生成” 二字——由任务开始，设计学习情境；情境有了，在任务驱动下师生 共研共读，生成教材、学法，生成知识与能力的小体系，而语文学科 核心素养也在活动中生成。 第二，文化参与在调查研究中深入。 《书信类节目为何这样“红”》由***市协和中学教师王殿宇设计并执教。教学中，王殿宇引导学生关注传统书信式微背景下书信节 目走红的现象，激发学生深入研究的意愿，教师再指导学生调研和分析。学习中，学生需要阅读5万多字的学习资源并开展网络、社区调 研活动，最后完成调研报告。 王殿宇认为，当代文化参与任务群打通了日常语文学习与作为 课程的语文学习的关系，体现了新课标的“实践性”理念。该任务群 明确提出围绕“调查”开展学习活动，通过“关注、剖析、传播”等 环节呈现“参与”，其开放式学习特征明显。基于此，设计学习任务、分配课时既要体现语文学科特点，又不能将学习活动限定在课堂、学校。学习任务要带动学生“阅读与鉴赏、表达与交流、梳理与探究”，教师也要结合任务群需要选择多样化阅读策略和学习方式。 王殿宇的设计将当代文化参与任务群的学习目标落实在“关注”“剖析”与“传播”3个关键词，通过任务群的学习，让学生掌握“关注”“剖析”与“传播”先进文化的方法，更唤醒、培养学生“关注”“剖析”与“传播”先进文化的意识。 第三，媒介素养在语言构建中实现。 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 自动控制原理教案 经典控制部分 第一章控制理论一般概念3学时 (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 (15) 第五章频率特性12学时 (26) 第六章控制系统的校正与设计8学时 (36) 第七章非线性系统8学时 (40) 第八章离散控制系统8学时 (45) 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。 自动控制原理课程教案-附录1-拉普拉斯 变换 附录1. 拉普拉斯变换 附录1.1 拉氏变换的定义 如果有一个以时间为变量的函数()f t ，它的定义域是0t >，那么拉氏变换就是如下运算式 ()()st t F s f t e dt ∞ =? A-1 式中s 为复数。一个函数可以进行拉氏变换的充分条件是 （1） 在0t <时，()0f t =； （2） 在0t ≥时的任一有限区域内，()f t 是分段连续的； （3） 0()st f t e dt ∞ <∞? 在实际工程中，上述条件通常是满足的。式A-1中，()F s 成为像函数，()f t 成为原函数。为了表述方便，通常把式A-1记作 ()[()]F s L f t = 如果已知象函数()F s ，可用下式求出原函数 1 ()()2c j st c j f t F s e ds j π+∞-∞ = ? （A-2） 式中c 为实数，并且大于()F s 任意奇点的实数部分，此式称为拉氏变换的反变换。同样，为了表述方便，可以记作 1()[()]f t L F s -= 为了工程应用方便，常把()F s 和()f t 的对应关系编成表格，就是一般所说的拉氏变换表。表A-1列出了最常用的几种拉氏变换关系。 一些常用函数的拉氏变换 附录1.1.1 单位阶跃函数的拉氏变换 这一函数的定义为 0, 0()0, 0t u t t ? 它表示0t =时，突然作用于系统的一个不变的给定量或扰动量，如图3-1所示。单位阶跃函数的拉氏变换为 0011 ()[]st st F s e dt e s s ∞--∞==-=? 在进行这个积分时，假设s 的实部比零大，即Re[]0s >，因此 lim 0st t e -→∞ → 附录1.1.2 单位脉冲函数的拉氏变换 单位脉冲函数也是作为自动控制系统常用的标准输入量。它是在持续时间0ε→期间内作用的矩形波，其幅值与作用时间的乘积等于1，如图3-3所示。其数学表达式为 00, 0()1 lim 0 t t t t εε δεε →>>?? =?<? 如图3-2所示，斜坡时间函数的拉氏变换为 一、课题：＆1.1自动控制理论的发展史及内容 二、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 三、教学重点自动控制原理的主要内容 四、教学难点本课程的任务 五、教学方法：讲授法 六、教具教案、粉笔等 七、时间分配课题引入 10分钟讲授 85分钟作业布置 5分钟 八、作业布置 九、审批 十、教学内容 1、组织教学 2、导入新课 3、疑点讲解 ＆1.1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）。这种阀门可用来保持均匀的饮酒速度。 （4）记里鼓车 中国古代有能自报行车里程的车制，是东汉以后出现的，由汉代改装而成，车中装设具有减速作用的传动齿轮和凸轮、杠杆等机构。车行一里，车上木人受凸轮牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓一次，以表示车的里程。 （5）漏水转浑天仪 公元2世纪，中国东汉的天文学家张衡创制的一种天文表演仪器。它是一种用漏水推动的水运浑象，和现在的天球仪相似，可以用来实现天体运行的自动仿真。 （6）候风地动仪 公元132年东汉张衡发明的一种观察地震的自动检测仪器，它的工作原理涉及到检测地震信号的大小和方向。 （7）水运仪象台 北宋哲宗元祐三年，苏颂、韩公廉等人制成的水力天文装置。它既能演示或能观测天象，又能计时及报时。 中国古代人民在原始的自动装置的创造和发明上作出了辉煌的成就，也为后来自动化的发展奠定了基础。自动化的发展在世界的其他地方也有很大的发展。 公元一世纪古埃及和希腊的发明家页创造了教堂庙门自动开启、铜祭司自动洒圣水、投币式圣水箱等自动装置。17世纪以来，随着生产的发展，在欧洲的一些国家相继出现了多种自动装置，其中比较典型的有：法国物理学家B.帕斯卡在公元1642年发明的加法器;荷兰机械师C.惠更斯于公元1657年发明的钟表；英国机械师E.李在公元1745年发明带有风向控制的风磨；俄国机械师H.波尔祖诺夫于公元1765年发明了蒸气锅炉水位保持高考语文《全日制普通高中语文新课程标准》教案 人教版
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