控制理論

前言

　　作為控制工程重要基礎(chǔ)的“控制理論”，在這里被編寫成了一種從初級(jí)知識(shí)開(kāi)始，到介紹控制理論全貌的入門性教科書。因此，它有別于以前出版的控制理論教科書。本書涵蓋了從古典控制到現(xiàn)代控制和數(shù)字控制的廣闊領(lǐng)域，這也是本書的既定目標(biāo)，從而也構(gòu)成為本書的最大特點(diǎn)。這個(gè)目標(biāo)與控制理論的發(fā)展是有很大關(guān)系的?！　』仡櫩刂评碚摰陌l(fā)展歷史，首先是20世紀(jì)30年代產(chǎn)生的古典控制理論，然后是20世紀(jì)60年代產(chǎn)生的現(xiàn)代控制理論。這兩種控制理論分別在頻域和時(shí)域內(nèi)進(jìn)行研究，因而是兩種相互對(duì)應(yīng)的控制理論。但是，經(jīng)過(guò)這兩種對(duì)應(yīng)的控制理論的變化和發(fā)展，控制理論于20世紀(jì)80年代開(kāi)始走向?qū)⒐诺淇刂婆c現(xiàn)代控制相融合的道路，并且在創(chuàng)建包含兩種形態(tài)的理論體系方面，從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了重大的規(guī)范性（paradigm）的變化。作為其演變結(jié)果，是近年來(lái)創(chuàng)建了作為“魯棒控制理論”體系的反饋控制理論?；谏鲜鲈淼姆答伩刂评碚?，不僅在數(shù)學(xué)上增加了嚴(yán)密性，而且還轉(zhuǎn)變成了一種適宜于應(yīng)用的理論。當(dāng)今存在于古典控制與現(xiàn)代控制之間的“籬笆”，也正在逐漸地被拆除。　　在這種情況下，作為支撐控制工程的兩大支柱，古典控制與現(xiàn)代控制這兩種控制理論依然占據(jù)著重要位置。特別是在古典控制理論中發(fā)展起來(lái)的頻域設(shè)計(jì)方法，和在現(xiàn)代控制理論中引進(jìn)的適合于設(shè)計(jì)計(jì)算的系統(tǒng)表示方法（狀態(tài)空間法），都在魯棒控制理論中原封不動(dòng)地被繼承了下來(lái)，它們的重要性非但沒(méi)有消失，反而變得比以前更加重要了。尤其是近年來(lái)在數(shù)字計(jì)算機(jī)計(jì)算能力迅速提高的背景下，以計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為前提的數(shù)字控制理論，就變得更加重要了?！　”緯鴮⑦^(guò)去以分冊(cè)形式編輯的上述三種控制理論，匯集成一冊(cè)，只要學(xué)習(xí)了本書，就能夠奠定廣泛的基礎(chǔ)，從而為在大學(xué)的研究生課程中進(jìn)一步學(xué)習(xí)控制理論創(chuàng)造條件，這就是編輯本書的目的。

內(nèi)容概要

　　《OHM大學(xué)理工系列：控制理論》是一本控制理論的入門性教科書。書中較全面地介紹了控制理論的基本內(nèi)容，內(nèi)容包括以頻率法為基礎(chǔ)的古典控制理論，以時(shí)域內(nèi)的狀態(tài)空間法作為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論，以及融合上述兩種理論為一體的新理論和新方法等。書中還配有大量的例題和練習(xí)題，并附有練習(xí)題簡(jiǎn)答?！　　禣HM大學(xué)理工系列：控制理論》適合作為高等院校控制理論課程的教材，也可以作為大專同等學(xué)歷的在職技術(shù)人員的參考用書。

書籍目錄

第1章 概述1．1 什么是控制1．2 控制的基本觀點(diǎn)1．3 控制的必要性和種類1．4 本書的結(jié)構(gòu)和特征1．5 本書的學(xué)習(xí)方法第2章 從拉普拉斯變換到傳遞函數(shù)2．1 拉普拉斯變換和拉普拉斯反變換2．1．1 復(fù)數(shù)和復(fù)函數(shù)2．1．2 拉普拉斯變換2．1．3 拄普拉斯變換的性質(zhì)2．1．4 拉普拉斯反變換2．2 線性定常系統(tǒng)2．2．1 線性系統(tǒng)與定常系統(tǒng)2．2．2 脈沖響應(yīng)和傳遞函數(shù)2．3 傳遞函數(shù)與方框圖2．3．1 各種系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2．3．2 方框圖練習(xí)題第3章 控制系統(tǒng)特性的研究方法3．1 系統(tǒng)特性的時(shí)域分析（瞬態(tài)響應(yīng)分析）3．1．1 階躍響應(yīng)3．1．2 斜坡響應(yīng)3．2 控制系統(tǒng)對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)（頻率響應(yīng)分析）3．2．1 傳遞函數(shù)與頻率響應(yīng)函數(shù)的關(guān)系3．2．2 頻率響應(yīng)的圖解表示方法3．3 系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究方法（stability analysis）3．3．1 線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性3．3．2 反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究方法練習(xí)題第4章 基于傳遞函數(shù)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4．1 控制系統(tǒng)的性能評(píng)估4．1．1 瞬態(tài)特性的評(píng)估4．1．2 穩(wěn)態(tài)特性的評(píng)估4．2 基于瞬態(tài)響應(yīng)的設(shè)計(jì)考慮4．2．1 什么是根軌跡4．2．2 利用根軌跡設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)4．3 基于頻率響應(yīng)的設(shè)計(jì)考慮4．3．1 通過(guò)增益調(diào)整提高性能4．3．2 利用相位超前與相位滯后校正提高性能4．4 過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮練習(xí)題第5章 狀態(tài)空間法5．1 對(duì)線性系統(tǒng)的更詳盡描述5．1．1 實(shí)際系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型5．1．2 一般情況下的狀態(tài)空間模型5．1．3 狀態(tài)空間模型的時(shí)域響應(yīng)5．2 狀態(tài)空間模型與傳遞函數(shù)的關(guān)系5．2．1 由狀態(tài)空間模型變換成傳遞函數(shù)5．2．2 從傳遞函數(shù)到狀態(tài)空間模型5．2．3 傳遞函數(shù)的極點(diǎn)與狀態(tài)空間模型5．3 執(zhí)行器和傳感器的充分性問(wèn)題5．3．1 線性系統(tǒng)的可控性5．3．2 線性系統(tǒng)的可觀測(cè)性5．3．3 傳遞函數(shù)的可控性和可觀測(cè)性5．3．4 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造定理5．3．5 坐標(biāo)變換與可控性及可觀測(cè)性5．3．6 最小實(shí)現(xiàn)5．4 系統(tǒng)的安全運(yùn)行問(wèn)題練習(xí)題第6章 數(shù)字控制系統(tǒng)6．1 數(shù)字控制的概況6．2 連續(xù)時(shí)間與離散時(shí)間系統(tǒng)的關(guān)系6．2．1 離散時(shí)間狀態(tài)方程式6．2．2 例題6．3 離散時(shí)間系統(tǒng)的響應(yīng)研究6．3．1 一階系統(tǒng)的響應(yīng)6．3．2 基于特征值的系統(tǒng)分解6．3．3 特征值為復(fù)數(shù)時(shí)的響應(yīng)6．3．4 關(guān)于狀態(tài)的穩(wěn)定性：內(nèi)部穩(wěn)定性6．3．5 輸入-輸出穩(wěn)定性6．4 系統(tǒng)性質(zhì)的考慮6．4．1 可控性與可觀測(cè)性6．4．2 信號(hào)的z變換6．4．3 用脈沖傳遞函數(shù)表示輸入-輸出關(guān)系6．4．4 用狀態(tài)方程式表示傳遞函數(shù)6．5 基于反饋的系統(tǒng)控制6．5．1 通過(guò)狀態(tài)反饋使系統(tǒng)穩(wěn)定化6．5．2 狀態(tài)的觀測(cè)6．5．3 利用觀測(cè)器進(jìn)行輸出反饋6．6 最優(yōu)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)6．6．1 對(duì)控制性能的評(píng)價(jià)6．6．2 評(píng)價(jià)函數(shù)的最小化6．6．3 例題6．6．4 LQ最優(yōu)調(diào)節(jié)器在什么樣的系統(tǒng)中有效練習(xí)題練習(xí)題簡(jiǎn)答參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　在控制的演示中獲得成功應(yīng)用的“倒立擺”的情況，在一根擺的情況下，因?yàn)榭梢詫?duì)其移動(dòng)進(jìn)行某種程度上的預(yù)測(cè)，所以對(duì)其進(jìn)行手動(dòng)控制是可能的，但是對(duì)于由兩根擺構(gòu)成的雙重倒立擺和由三根擺構(gòu)成的三重倒立擺，其運(yùn)動(dòng)情況就會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，因此不可能進(jìn)行預(yù)測(cè)，這時(shí)自動(dòng)控制就成為必要的了。同樣，在大規(guī)模的復(fù)雜的工廠控制中，自動(dòng)控制也是適當(dāng)?shù)?。但是，大多?shù)自動(dòng)控制，例如像往浴池中加水時(shí)那樣，這時(shí)即使不采用自動(dòng)控制，僅靠手動(dòng)控制，多半也能滿足要求。但是作為更完善的方案，正如在最新式的浴池系統(tǒng)中那樣，只要按壓一下自來(lái)水和熱水量的開(kāi)關(guān)，就能夠自動(dòng)地達(dá)到預(yù)定的水量和預(yù)定的加熱溫度，是很方便的。另外在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，與其讓操作人員一個(gè)一個(gè)地通過(guò)水位計(jì)一邊察看水位一邊開(kāi)關(guān)供水閥門，不如將它們都實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從而可以提高生產(chǎn)效率，并且減輕人們的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。比這更重要的是，自動(dòng)控制與手動(dòng)控制比較，可以實(shí)現(xiàn)更為精確的控制。例如，在鋼鐵加工的軋制控制中，汽車生產(chǎn)用的鋼板厚度加工中，在自動(dòng)控制的條件下可以達(dá)到微米級(jí)精度，因此為產(chǎn)品質(zhì)量的提高作出了重大貢獻(xiàn)。這樣高的精度用手動(dòng)控制無(wú)論如何也是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。采用這樣的自動(dòng)控制的效果，是帶來(lái)了便利、高效和產(chǎn)品質(zhì)量的提高等，其結(jié)果是可以把人們從簡(jiǎn)單的勞動(dòng)中解放出來(lái)，并且使高質(zhì)量產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)成為可能?！　∪缜懊嫠觯刂瓶梢詰?yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域，達(dá)到各種不同的目的，下面我們對(duì)其進(jìn)行分類整理。首先，當(dāng)著眼于進(jìn)行控制的時(shí)間時(shí)，像汽車和飛機(jī)的控制那樣，觀測(cè)和控制相對(duì)于時(shí)間是連續(xù)進(jìn)行的，這時(shí)就稱這種控制為連續(xù)時(shí)間控制。與此對(duì)應(yīng)，當(dāng)觀測(cè)和控制的運(yùn)作是在一定時(shí)間間隔內(nèi)斷續(xù)進(jìn)行時(shí)，則稱這種控制為離散時(shí)間控制或稱采樣控制。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的控制器，多數(shù)都采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)，它斷續(xù)地以數(shù)字量的形式提取觀測(cè)信號(hào)，并且以數(shù)字量的形式將控制信號(hào)輸出，這樣的控制被特別地稱為數(shù)字控制。在本書中，基本上是研究前述的連續(xù)時(shí)間控制，關(guān)于數(shù)字控制，將在第6章討論?！　∑浯危覀儼纯刂频哪康倪M(jìn)行分類。首先，以跟蹤變化著的目標(biāo)值作為主要目的的控制，稱之為跟蹤控制。當(dāng)目標(biāo)值一定時(shí)，以抑制干擾的影響作為主要目的的控制稱為定值控制。采用冷卻器的室溫控制就是后一種控制的代表性例子。

編輯推薦

　　《OHM大學(xué)理工系列：控制理論》內(nèi)容涵蓋了基礎(chǔ)知識(shí)，也涉及到了比較深入的內(nèi)容，是一本很好地全面介紹控制理論的書籍。

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