自動控制原理

前言

目前，自動控制技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運輸和國防建設(shè)。指導(dǎo)自動控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的控制理論也有了很大的發(fā)展，它的概念、方法和體系已經(jīng)滲透到許多學科領(lǐng)域。在20世紀40和50年代中發(fā)展起來的經(jīng)典控制理論至今仍被成功地應(yīng)用于單變量定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計。在20世紀50年代末、20世紀60年代初發(fā)展起來的狀態(tài)空間方法具有更廣泛的適用性，它可以用于多變量、定?；驎r變系統(tǒng)，所討論的問題更復(fù)雜。為了適應(yīng)高等工業(yè)院、校本科生教學的需要，根據(jù)相應(yīng)的教學大綱和學時安排，選取了經(jīng)典控制理論和狀態(tài)空間方法基礎(chǔ)部分作為內(nèi)容，編寫本教材。本書可供電子信息科學類、儀器儀表類、電氣信息類、自動控制類一些專業(yè)選用。本教材在經(jīng)典控制理論和狀態(tài)空間方法這兩部分內(nèi)容的處理上，遵循“傳統(tǒng)模式”，即將經(jīng)典理論與現(xiàn)代控制理論分開編寫，主要是考慮到傳統(tǒng)模式已經(jīng)證明行之有效，并且可以繼續(xù)采用。另外，這兩方面內(nèi)容的數(shù)學基礎(chǔ)不同，處理問題的思路不同，混編在一起有教學上的不便。為了彌補傳統(tǒng)編寫模式的不足，建議在講現(xiàn)代控制理論時能有意識地多聯(lián)系經(jīng)典控制理論。本書安排了九章內(nèi)容。一至六章介紹經(jīng)典線性理論，包括時域法、根軌跡法和頻率域方法。第一章介紹自動控制的一般概念，首先從人工控制的過程引出自動控制系統(tǒng)應(yīng)有的職能和部件，從而引出反饋系統(tǒng)的概念與組成特點，而不是通過大量實例的羅列而引出。然后舉三個例子介紹開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制等概念。重點是反饋系統(tǒng)的原理、組成部件的闡述。動態(tài)過程和對系統(tǒng)的性能要求只介紹初步概念。第二章介紹自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，包括微分方程、傳遞函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)。強調(diào)了用線性常系數(shù)微分方程描述的系統(tǒng)特點：疊加原理、時不變性、物理實現(xiàn)性；講梅森公式時，直接使用動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，不引入信號流圖，從而使梅森公式與方框圖融成一體。第三章介紹時域分析法，包括一、二階系統(tǒng)的分析與計算，系統(tǒng)穩(wěn)定性分析(勞思判據(jù)、赫爾維茨判據(jù))，穩(wěn)態(tài)誤差分析、計算和一般規(guī)律。講解穩(wěn)態(tài)誤差時，強調(diào)了拉氏變換終值定理的使用條件和系統(tǒng)穩(wěn)定性要求的關(guān)系，在講消去穩(wěn)態(tài)誤差的條件時，強調(diào)了內(nèi)模原理與穩(wěn)定性要求，使得數(shù)學的嚴謹性與物理概念一致。

內(nèi)容概要

　　《自動控制原理》為北京市高等教育精品教材?！蹲詣涌刂圃怼肥窃诒本┖娇蘸教齑髮W內(nèi)部使用教材的基礎(chǔ)上修訂的，十余年來曾經(jīng)多次修改，精選內(nèi)容，注意教材的立體化配套?！蹲詣涌刂圃怼烦酥鹘滩?，還有配套的《自動控制原理學習輔導(dǎo)與習題解答》、《自動控制原理電子教案》。本教材在經(jīng)典控制理論和狀態(tài)空間方法這兩部分內(nèi)容的處理上，遵循“傳統(tǒng)模式”，即將經(jīng)典理論與現(xiàn)代控制理論分開編寫，主要是考慮到傳統(tǒng)模式已經(jīng)證明行之有效，并且可以繼續(xù)采用。另外，這兩方面內(nèi)容的數(shù)學基礎(chǔ)不同，處理問題的思路不同，混編在一起有教學上的不便。為了彌補傳統(tǒng)編寫模式的不足，建議在講現(xiàn)代控制理論時能有意識地多聯(lián)系經(jīng)典控制理論?！蹲詣涌刂圃怼吩谌〔暮完U述方式上，注意了工程性，將實驗教學環(huán)節(jié)和計算機輔助設(shè)計融合一體，貫穿全書。在內(nèi)容上貫徹了刪繁就簡的原則，避免過分地引申和擴充。在敘述問題時，力求概念明確、層次分明和遵循教學順序。在例題和習題的編排上考慮了不同專業(yè)的背景，以供不同專業(yè)的教學選用。由于前六章與第七章、第八章、第九章的內(nèi)容有相對獨立性，刪除一些章節(jié)后可供其他非控制類專業(yè)或成人教育和繼續(xù)教育選用。

書籍目錄

第一章 自動控制的一般概念§1-1 自動控制的任務(wù)§1-2 自動控制的基本方式§1-3 對控制系統(tǒng)的性能要求習題第二章 自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型§2-1 控制系統(tǒng)微分方程的建立§2-2 非線性微分方程的線性化§2-3 傳遞函數(shù)§2-4 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖§2-5 系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)§2-6 典型反饋系統(tǒng)的幾種傳遞函數(shù)習題第三章 時域分析法§3-1 時域分析基礎(chǔ)§3-2 一、二階系統(tǒng)分析與計算§3-3 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析§3-4 穩(wěn)態(tài)誤差分析及計算習題第四章 根軌跡法§4-1 根軌跡與根軌跡方程§4-2 繪制根軌跡的基本法則§4-3 廣義根軌跡§4-4 系統(tǒng)閉環(huán)零、極點分布與階躍響應(yīng)的關(guān)系§4-5 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的根軌跡分析習題第五章 頻率域方法§5-1 頻率特性§5-2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性§5-3 系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性§5-4 頻率穩(wěn)定判據(jù)§5-5 系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性與階躍響應(yīng)的關(guān)系§5-6 開環(huán)頻率特性與系統(tǒng)階躍響應(yīng)的關(guān)系習題第六章 控制系統(tǒng)的校正§6-1 系統(tǒng)校正設(shè)計基礎(chǔ)§6-2 串聯(lián)校正§6-3 串聯(lián)校正的理論設(shè)計方法§6-4 反饋校正§6-5 復(fù)合校正習題第七章 非線性系統(tǒng)分析§7-1 非線性問題概述§7-2 常見非線性因素對系統(tǒng)運動特性的影響§7-3 相平面法基礎(chǔ)§7-4 非線性系統(tǒng)的相軌跡分析§7-5 描述函數(shù)§7-6 用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)習題第八章 采樣系統(tǒng)理論§8-1 采樣過程與采樣定理§8-2 信號的恢復(fù)與零階保持器§8-3 z變換與z反變換§8-4 脈沖傳遞函數(shù)§8-5 采樣系統(tǒng)的性能分析§8-6 采樣系統(tǒng)的數(shù)字校正習題第九章 狀態(tài)空間分析方法§9-1 狀態(tài)空間方法基礎(chǔ)§9-2 線性系統(tǒng)的可控性和可觀測性§9-3 狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器§9-4 有界輸入、有界輸出穩(wěn)定性§9-5 李雅普諾夫第二方法習題附錄Ⅰ 拉普拉斯交換附錄Ⅱ 矩陣相似對角化和約當標準形附錄Ⅲ MATLAB語言與自動控制系統(tǒng)設(shè)計部分習題解答

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：分析和設(shè)計任何一個控制系統(tǒng)，首要任務(wù)是建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。描述系統(tǒng)的輸入、輸出變量以及系統(tǒng)內(nèi)部各個變量之間關(guān)系的數(shù)學表達式稱為系統(tǒng)的數(shù)學模型。描寫各變量動態(tài)關(guān)系的表達式稱為動態(tài)數(shù)學模型，常用的動態(tài)數(shù)學模型為微分方程。在實際工程中，不管是機械的、電氣的、液壓的、氣動的系統(tǒng)，還是經(jīng)濟學的、生物學的系統(tǒng)等等，它們雖然具有不同的物理特性，但是都具有最基本的、相當確切的相似性，即它們的動態(tài)行為都可以用微分方程來描述，不同的物理系統(tǒng)可以具有同一形式的數(shù)學模型。建立數(shù)學模型的方法分為解析法和實驗法，所謂解析法即依據(jù)系統(tǒng)及元件各變量之間所遵循的物理、化學定律列寫出變量間的數(shù)學表達式，并經(jīng)實驗驗證。而實驗法則是對系統(tǒng)或元件輸入一定形式的信號（階躍信號，單位脈沖信號，正弦信號等），根據(jù)系統(tǒng)或元件的輸出響應(yīng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理而辨識出系統(tǒng)的數(shù)學模型。前種方法適用于簡單、典型、通用常見的系統(tǒng)，而后種適用于復(fù)雜、非常見的系統(tǒng)。實際上常常是把這兩種方法結(jié)合起來建立數(shù)學模型更為有效。實際系統(tǒng)往往是很復(fù)雜的，都具有不同程度的非線性、時變甚至還帶有分布參數(shù)因素，很難準確地用數(shù)學表達式描寫各個變量的關(guān)系。在工程上為了尋求一種行之有效的方法，必須對問題進行簡化，忽略一些次要因素，使其避免數(shù)學處理上的困難，又不影響分析系統(tǒng)的準確性。當忽略了非線性因素，并認為參數(shù)是集中、定常時，描述系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型為線性、定常微分方程。而對應(yīng)的系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng)，它的特點之一是可以應(yīng)用疊加原理。若考慮了非線性因素，則數(shù)學模型為非線性微分方程，對應(yīng)的系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)。若參數(shù)是非定常的，則對應(yīng)的系統(tǒng)是時變系統(tǒng)。本章主要研究線性定常系統(tǒng)。

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《自動控制原理》是北京市高等教育精品教材立項項目之一。

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