自動(dòng)控制原理

前言

在21世紀(jì)的頭一個(gè)10年里，國家發(fā)生了巨大變化，生活在這個(gè)時(shí)代的每一個(gè)人都能切身感受到這一點(diǎn)，這是一個(gè)機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的時(shí)代。由于科研和教學(xué)任務(wù)繁重，從2001年起，本書斷斷續(xù)續(xù)地寫了近10年，現(xiàn)在終于有了結(jié)果，并在科學(xué)出版社出版，這使作者感到十分欣慰。本書是作者在多年教學(xué)講義的基礎(chǔ)上修改完善而成的，在寫作過程中還參考了一些國內(nèi)外教材?，F(xiàn)將本書各章節(jié)的內(nèi)容特點(diǎn)說明如下：第1章為緒論，主要介紹自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和類型，自動(dòng)控制理論的形成與發(fā)展，反饋控制系統(tǒng)示例和分類等。通過對緒論部分的學(xué)習(xí)，將使學(xué)生對自動(dòng)控制原理這門課的重要性和控制系統(tǒng)有一個(gè)初步的感性認(rèn)識。第2章的主要內(nèi)容包括拉普拉斯變換的基本內(nèi)容，系統(tǒng)的輸入輸出微分方程描述和傳遞函數(shù)，系統(tǒng)的靜態(tài)工作點(diǎn)和靜態(tài)二作點(diǎn)附近的線性化方法，控制系統(tǒng)中常見對象和過程的數(shù)學(xué)模型，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡，梅森增益公式等。其中，對拉氏變換的積分下限問題，初值定理和終值定理在使用中應(yīng)該注意的事項(xiàng)，線性定常微分方程的解及其性質(zhì)，傳遞函數(shù)的一般和特殊形式等進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述，特別指出了運(yùn)用方框圖和方框圖化簡過程中應(yīng)該注意的問題。第3章的主要內(nèi)容包括控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，穩(wěn)定性的概念和代數(shù)判據(jù)，一階和二階系統(tǒng)響應(yīng)，高階系統(tǒng)響應(yīng)，主導(dǎo)極點(diǎn)和偶極子的概念，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差等。其中，結(jié)合工程實(shí)際對穩(wěn)定性的概念及其對控制工程的重要性進(jìn)行了深入的講解，由此說明了系統(tǒng)典型響應(yīng)的工程意義；補(bǔ)充講述了臨界穩(wěn)定一階環(huán)節(jié)的記憶響應(yīng)特性和臨界穩(wěn)定二階環(huán)節(jié)的自持振蕩響應(yīng)特性，以便在隨后的穩(wěn)態(tài)特性設(shè)計(jì)中引用這些環(huán)節(jié)來提高系統(tǒng)的控制精度；對二階無零點(diǎn)系統(tǒng)、二階有零點(diǎn)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)表達(dá)式和性能指標(biāo)計(jì)算公式，以及有共軛復(fù)數(shù)主導(dǎo)極點(diǎn)高階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的近似表達(dá)式和性能指標(biāo)估算公式，用統(tǒng)一的形式給出，便于學(xué)生掌握。第4章的主要內(nèi)容包括根軌跡的概念，根軌跡的繪制法則，零度根軌跡和參數(shù)根軌跡，增加開環(huán)零點(diǎn)和開環(huán)極點(diǎn)對根軌跡的影響，有時(shí)間純滯后環(huán)節(jié)時(shí)的根軌跡等。其中，特別闡述了根軌跡的連續(xù)性和根軌跡的平移相似性，進(jìn)而指出了不同開環(huán)零、極點(diǎn)分布的根軌跡間的聯(lián)系和包含關(guān)系，應(yīng)用根軌跡的連續(xù)性，總結(jié)并給出了兩極點(diǎn)、單零點(diǎn)傳遞函數(shù)和兩極點(diǎn)、兩零點(diǎn)傳遞函數(shù)根軌跡的規(guī)律性，給出了分離點(diǎn)上根軌跡入射角和出射角的簡單計(jì)算方法；對零、極點(diǎn)相消情況下的根軌跡及處理方法進(jìn)行了說明。

內(nèi)容概要

　　自動(dòng)控制原理是系統(tǒng)和控制科學(xué)的一門基礎(chǔ)課程，主要講解建立在傳遞函數(shù)輸入輸出描述基礎(chǔ)之上的反饋控制系統(tǒng)的分析與綜合方法。本書的主要內(nèi)容包括控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、時(shí)域分析方法、根軌跡法、頻域分析方法，控制系統(tǒng)的校正，采樣控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)?！　”緯趦?nèi)容上強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)性和系統(tǒng)性，注重基本概念的闡述和不同分析設(shè)計(jì)方法的聯(lián)系與比較；在知識的介紹過程中盡量避免高深的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)；在寫作上力求做到層次清楚，內(nèi)容精簡，邏輯性強(qiáng)，符合工科學(xué)生的認(rèn)識規(guī)律，每章最后都安排了MATLAB相關(guān)知識的介紹。本書可作為高等院校自動(dòng)化、電力系統(tǒng)自動(dòng)化、機(jī)電一體化和其他相關(guān)專業(yè)的本科生教材，也可供相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員參考。

書籍目錄

前言 第1章 緒論 　1-1 控制系統(tǒng)的組成和基本結(jié)構(gòu) 　1-2 自動(dòng)控制理論的內(nèi)容和發(fā)展 　1-3 反饋控制系統(tǒng)示例 　1-4 控制系統(tǒng)分類 　1-5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求 　習(xí)題 第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 　2-1 拉普拉斯變換 　2-2 線性系統(tǒng)的輸入輸出描述和傳遞函數(shù) 　2-3 非線性微分方程在工作點(diǎn)附近的線性化 　2-4 一些典型對象和零部件的傳遞函數(shù) 　2-5 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 　2-6 信號流圖 　2-7 在MATLAB中創(chuàng)建系統(tǒng)模型 　習(xí)題 第3章 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析方法 　3-1 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 　3-2 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和代數(shù)判據(jù) 　3-3 一階系統(tǒng)的響應(yīng) 　3-4 二階系統(tǒng)的響應(yīng) 　3-5 高階系統(tǒng)的階躍響應(yīng) 　3-6 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 　3-7 在MATLAB中進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)域分析 　習(xí)題 第4章 根軌跡法 　4-1 根軌跡的概念 　4-2 一般根軌跡的繪制法則 　4-3 零度根軌跡的繪制法則 　4-4 參數(shù)根軌跡（廣義根軌跡） 　4-5 增加開環(huán)零、極點(diǎn)對根軌跡的影響 　4-6 有時(shí)間純滯后環(huán)節(jié)時(shí)的根軌跡 　4-7 用MATLAB命令繪制根軌跡 　習(xí)題 第5章 控制系統(tǒng)的頻域分析方法 　5-1 頻率特性的概念 　5-2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性 　5-3 幅相頻率特性曲線的繪制 　5-4 對數(shù)頻率特性曲線的繪制 　5-5 頻率特性曲線的實(shí)驗(yàn)測取 　5-6 奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù) 　5-7 開環(huán)頻率特性的穩(wěn)定裕度指標(biāo) 　5-8 閉環(huán)頻率特性及特性指標(biāo) 　5-9 系統(tǒng)頻域指標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系 　5-10 系統(tǒng)開環(huán)頻率特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系 　5-11 用MATLAB命令繪制頻率特性 　習(xí)題 第6章 控制系統(tǒng)的校正 　6-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)和校正方式 　6-2 常用的校正裝置 　6-3 串聯(lián)校正 　6-4 按希望特性進(jìn)行串聯(lián)校正 　6-5 反饋校正 　6-6 PID參數(shù)的工程整定 　6-7 用MATLAB命令進(jìn)行系統(tǒng)校正 　習(xí)題 第7章 采樣控制系統(tǒng) 　7-1 采樣器和保持器 　7-2 z變換與z反變換 　7-3 脈沖傳遞函數(shù) 　7-4 采樣系統(tǒng)分析 　7-5 采樣系統(tǒng)的根軌跡分析與設(shè)計(jì) 　7-6 有限拍采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　7-7 離散系統(tǒng)的模擬化設(shè)計(jì)方法 　7-8 用MATLAB命令進(jìn)行采樣系統(tǒng)分析 第8章 非線性控制系統(tǒng) 　8-1 非線性系統(tǒng)的特征和研究方法 　8-2 控制系統(tǒng)中的典型非線性特性 　8-3 非線性控制系統(tǒng)的描述函數(shù)分析方法 　8-4 非線性系統(tǒng)的相平面分析方法 　8-5 用MATLAB命令進(jìn)行非線性系統(tǒng)分析 　習(xí)題 參考文獻(xiàn) 附錄 MATLAB函數(shù)一覽表 部分習(xí)題參考答案

章節(jié)摘錄

插圖：自動(dòng)控制就是在沒有人直接參與的情況下，應(yīng)用某種裝置操縱生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過程，使之具有預(yù)定的工作狀態(tài)。數(shù)控機(jī)床能夠按照設(shè)定的程序自動(dòng)切削工件；化學(xué)反應(yīng)爐的溫度和壓力能夠自動(dòng)地維持恒定；制導(dǎo)系統(tǒng)能夠引導(dǎo)導(dǎo)彈準(zhǔn)確地射向敵方目標(biāo)；無人駕駛飛機(jī)能夠按照預(yù)定的軌跡升降和飛行；人造衛(wèi)星可以準(zhǔn)確地進(jìn)入軌道并回收等，這一切都離不開自動(dòng)控制技術(shù)。在過去的幾十年中，自動(dòng)控制技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)各部門中的廣泛應(yīng)用，極大地促進(jìn)了化工、造紙、電力、冶金、汽車、家電等行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，改善了勞動(dòng)條件，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，促進(jìn)了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。特別是近二三十年來，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)控制技術(shù)在航空航天、軍事工業(yè)、核能發(fā)電等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，在生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、智能交通、新能源利用、經(jīng)濟(jì)管理等新興領(lǐng)域，都起著非常重要的作用。自動(dòng)控制理論是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是當(dāng)今大多數(shù)工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者必須具備的基本知識之一，它的理論性較強(qiáng)，同時(shí)又有著很強(qiáng)的工程性和實(shí)踐性。在這門課的學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)該有意識地結(jié)合工程實(shí)際問題以加深理解，搞清所學(xué)知識的工程背景，逐步建立起系統(tǒng)的概念，掌握分析和解決問題的方法。1-1控制系統(tǒng)的組成和基本結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由一些相互聯(lián)系和相互影響的環(huán)節(jié)組成，是有特定功能的一個(gè)整體。控制系統(tǒng)中的主要環(huán)節(jié)有：被控對象——即被控制的對象，它可以是某一臺機(jī)器或設(shè)備，也可以是某一個(gè)生產(chǎn)或工藝過程。執(zhí)行機(jī)構(gòu)——即控制決策的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它將控制信號轉(zhuǎn)化為功率級輸出，加載在被控對象上改變它的輸出。在控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)有時(shí)被看成是一個(gè)獨(dú)立的環(huán)節(jié)，有時(shí)被看成是被控對象的一部分。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有功率放大器、執(zhí)行電機(jī)、閥門等。校正裝置——即調(diào)節(jié)器或控制器，用來產(chǎn)生控制信號。簡單的校正裝置由電阻、電容無源器件或有源器件組成，復(fù)雜的校正裝置要借助計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。比較元件——其作用是將給定環(huán)節(jié)給出的參考輸入與測量裝置檢測的被控量進(jìn)行比較，得到偏差量。常用的比較元件有差動(dòng)放大器、機(jī)械差動(dòng)裝置、電橋電路等。給定環(huán)節(jié)——其作用是給出與期望的被控量相對應(yīng)的參考輸入量。參考輸入量常常是電信號，常用的給定環(huán)節(jié)有電位器、指令開關(guān)、旋轉(zhuǎn)變壓器等。測量裝置——其作用是檢測被控制的物理量，將其轉(zhuǎn)換為大小與之成比例的電信號。常用的測量元件有測量轉(zhuǎn)速的測速發(fā)電機(jī)、測量角度的旋轉(zhuǎn)變壓器、測量溫度的熱電偶、測量電壓的電位器等。

編輯推薦

《自動(dòng)控制原理》特點(diǎn)：注意結(jié)合工程意義講解基本概念，注重內(nèi)容的工程性和系統(tǒng)性，突出解決問題的思路與方法，對知識的講解力求做到深入淺出，避免復(fù)雜公式推導(dǎo)，力求做到層次清楚、內(nèi)容精簡、邏輯性強(qiáng)，習(xí)題豐富，每章安排了MATLAB相關(guān)內(nèi)容介紹，可為任課教師提供電子課件。

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