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课题
认识自动控制系统的微分方程与传递函数
课时
2课时(90min)
教学目标
知识技能目标:
(1)掌握自动控制系统的微分方程与传递函数
(2)能够列出自动控制系统的微分方程和传递函数
素质目标:
(1)培养自主学习、探究学习的意识
(2)培养发现问题、分析问题的能力
(3)培养脚踏实地、求真务实的作风
教学重难点
教学重点:微分方程、传递函数
教学难点:传递函数
教学方法
情景模拟法、问答法、讨论法
教学用具
电脑、投影仪、多媒体课件、教材
教学过程
主要教学内容及步骤
考勤
【教师】使用APP进行签到
【学生】按照老师要求签到
问题导入
【教师】列举“自动控制功能”案例(详见教材),并提出问题
这些自动控制功能得以实现的基础是什么?
【学生】思考、举手回答
【教师】总结学生回答,并利用多媒体展示”知识与技能要求”表格,引出本任务主要介绍内容
传授新知
【教师】通过学生的回答,引入新知,讲解微分方程、传递函数等知识
自动控制系统的数学模型一般可以用解析法和实验法建立。解析法属于理论建模,它是根据系统各元件所遵循的基本定律而建立关系式的,适用于系统中各元件的物理、化学等性质比较清楚的情况。在用解析法建立系统的数学模型时,应根据系统的结构和要求达到的精度,合理简化数学模型。实验法是通过实验,在系统输入端施加测试信号,并对响应数据进行测量,从而建立对应数学模型的方法。这里只对基本的解析法进行介绍。
1.1.1微分方程
1.微分方程的概念
微分方程广泛应用于机械、电气、热力、液压等领域,是自动控制系统中最基本的数学模型。在实际解决问题时,很多时候并不能直接找出目标函数,而是会列出目标函数及其导数的关系式。一般地,这种表示未知函数、未知函数的导数与自变量之间关系的方程,就称为微分方程。
2.微分方程的建立
建立系统微分方程的一般步骤如下。
(1)分析系统的工作原理和结构组成,确定系统的参考输入量和被控量。
(2)从系统输入端开始,按照信号传递的顺序,根据各变量遵循的基本定律,列出各元件或环节的微分方程。
(3)联立各微分方程,消去中间变量,得出描述系统参考输入量和被控量关系的微分方程。
(4)对微分方程进行整理,将与被控量有关的各项放在等式左边,将与参考输入量有关的各项放在等式右边,并各自按降幂排列,最后将微分方程中的系数进行整理,化为具有一定物理含义的量(如时间常数等),使之成为标准化微分方程。若方程为非线性微分方程,应先对其进行线性化处理,再转换为线性微分方程的标准形式。
【教师】随机邀请学生回答以下问题:
线性化处理的具体做法是什么?
【学生】聆听、思考、回答
【教师】总结学生的回答
对于非线性微分方程,可以对其进行线性化处理,具体做法是:在工作点(平衡点)附近按泰勒级数展开,忽略高阶导数项,从而得到近似的线性方程。
【教师】随机邀请学生回答以下问题:
在自动控制系统中,信号是如何传递的?
【学生】聆听、思考、回答
【教师】总结学生的回答
在自动控制系统中,信号是一级一级进行单向传递的,在对系统各元件或环节进行划分时,应注意后级对前级的负载效应,当负载效应不能忽略或串联的两级之间不存在隔离放大器时,则存在负载效应的两级不能分开各自建立微分方程。
【例1.1】
【教师】利用多媒体展示例题,并组织学生答题
【教师】利用多媒体展示“串联RLC电路”图片,并进行讲解
建立如图所示的串联RLC电路,试列出该电路的微分方程,其中为输入电压,为输出电压。
【学生】观看、思考、作答
【教师】公布正确答案,并进行解析:
引入中间变量,根据基尔霍夫电压定律可得电路的微分方程为
(1-1)
(1-2)
消去中间变量,整理得
(1-3)
将微分方程标准化得
(1-4)
式中:
、——时间常数,,。
式(1-4)为串联RLC电路的微分方程,它是二阶常系数线性微分方程。
【学生】聆听、记录
【例1.2】
【教师】利用多媒体展示例题,并组织学生答题
【教师】利用多媒体展示“常见的弹簧-质量-阻尼器机械位移系统”图片,并进行讲解
如图所示为常见的弹簧-质量-阻尼器机械位移系统。试建立参考输入量为外力,被控量为位移的系统微分方程(重力忽略不计)。其中,、、分别表示物体的质量、弹簧弹性系数及阻尼器的黏性阻尼系数。
【学生】观看、思考、作答
【教师】公布正确答案,并进行解析:
根据牛顿第二定律,可列出系统平衡时的微分方程为
(1-5)
其中,中间变量、分别表示弹簧的弹性力、阻尼器的阻尼力。
(1-6)
(1-7)
消去中间变量,整理得
(1-8)
式(1-8)为该弹
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