《自动控制系统》教案 第4课 认识自动控制系统的结构图.docx

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课题

认识自动控制系统的结构图

课时

4课时（180min）

教学目标

知识技能目标：

（1）掌握自动控制系统的结构图

（2）能够画出自动控制系统的结构图

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：结构图的组成及绘制、结构图的等效变换、利用结构图求闭环控制系统的传递函数

教学难点：结构图的等效变换

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

任务引入

【教师】提出下列提出问题

想要同时了解各元件对系统性能的影响及其相互间的定量关系时应使用什么方法？

【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，讲解结构图的组成及绘制、结构图的等效变换、利用结构图求闭环控制系统的传递函数等知识

1.3.1结构图的组成及绘制

用于描述系统各元件之间的相互关系和信号传递关系的数学图形称为系统的结构图。结构图综合了微分方程和传递函数可以清楚描述系统特性的优点，以及系统原理框图可以直观反映系统结构的优点，便于进行系统的分析和设计。

【教师】利用多媒体展示“结构图的组成”系列图片，并进行讲解

如图（d）所示为结构图的基本单元，其中为输入信号，为输出信号。

1．结构图的组成

结构图由信号线、引出点、比较点和功能框4部分组成。

【教师】利用多媒体展示“（a）信号线”图片，并进行讲解

（1）信号线：带有箭头的直线。箭头表示信号传递的方向，在直线旁会标注信号的时间函数或拉普拉斯变换，如图所示。

【教师】利用多媒体展示“（b）引出点”图片，并进行讲解

（2）引出点：又称为测量点，表示将信号分多路引出或测量的位置，同一个位置引出的信号的数值大小和性质与原信号完全相同，如图所示。

【教师】利用多媒体展示“（c）比较点”图片，并进行讲解

（3）比较点：又称为综合点，具有对两个或两个以上的信号进行代数运算的功能，如图所示。其中，“+”号表示各信号相加，“-”号表示各信号相减，通常“+”号可以省略不写。若需要多个输出信号，通常需要另加引出点。

【教师】利用多媒体展示“（d）功能框”图片，并进行讲解

（4）功能框：又称为环节，功能框内为该环节的传递函数，输入功能框的信号的象函数乘以功能框内的传递函数等于功能框输出信号的象函数，如图所示。

【教师】随机邀请学生回答以下问题：

功能框与系统中的元件是一一对应关系吗？

【学生】聆听、思考、回答

【教师】总结学生的回答

功能框与系统中的元件并非一一对应关系，一个功能框有时可以表示多个元件甚至一个系统，一个元件有时也可能会需要多个功能框来表示。

2．结构图的绘制

结构图的绘制步骤一般如下。

（1）根据信号的传递过程，将目标系统划分成各环节，列出微分方程。

（2）从输入端开始，依据信号传递方向，依次确定各环节的输入和输出并求出对应的传递函数。

（3）绘制各环节的结构图。

（4）将各环节相同的信号线连接起来，得到完整的结构图。

【例1.5】

【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“RC串联电路”图片，并进行讲解

绘制如图所示的RC串联电路的结构图。其中，为被控量，为参考输入量。

【学生】观看、思考、作答

【教师】公布正确答案，并进行解析：

该题可直接利用复数阻抗法，故可不列微分方程。

（1）RC串联电路由R和C两个元件组成。

（2）对于R元件来说，其输入为，输出为；对于C元件来说，其输入为，输出为。利用复数阻抗法，对于R元件有，即；对于C元件有，即。

【教师】利用多媒体展示“R元件和C元件的结构图”图片，并进行讲解

（3）分别绘制出R元件和C元件的结构图，如图所示。

【教师】利用多媒体展示“RC串联电路的结构图”图片，并进行讲解

（4）将各元件的结构图按照信号传递方向依次连接，最终得到RC串联电路的结构图，如图所示。

【学生】聆听、记录

1.3.2结构图的等效变换

当不考虑系统的具体结构，只注重系统的输入和输出特性时，可以对结构图进行必要的简化，即等效变换。对结构图进行等效变换时，应保证等效变换前后的输入和输出之间的传递函数保持不变。

1．环节的合并

结构图中各环节间的连接方式主要有串联、并联和反馈连接，对这三种连接方式的环节进行合并，可以将结构图等效变换。

1）串联环节的合并

【教师】利用多媒体展示“串联环节的合并”系列图片，并进行讲解

若在信号传递方向上，后一个环节的输入信号就