自動(dòng)控制原理

前言

目前，自動(dòng)控制技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸和國(guó)防建設(shè)。指導(dǎo)自動(dòng)控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)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(xué)科領(lǐng)域。在20世紀(jì)40和50年代中發(fā)展起來(lái)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(jì)。在20世紀(jì)50年代末、20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來(lái)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(shí)變系統(tǒng)，所討論的問(wèn)題更復(fù)雜。為了適應(yīng)高等工業(yè)院、校本科生教學(xué)的需要，根據(jù)相應(yīng)的教學(xué)大綱和學(xué)時(shí)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(xiě)本教材。本書(shū)可供電子信息科學(xué)類、儀器儀表類、電氣信息類、自動(dòng)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(kāi)編寫(xiě)，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(xué)基礎(chǔ)不同，處理問(wèn)題的思路不同，混編在一起有教學(xué)上的不便。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)編寫(xiě)模式的不足，建議在講現(xiàn)代控制理論時(shí)能有意識(shí)地多聯(lián)系經(jīng)典控制理論。本書(shū)安排了九章內(nèi)容。一至六章介紹經(jīng)典線性理論，包括時(shí)域法、根軌跡法和頻率域方法。第一章介紹自動(dòng)控制的一般概念，首先從人工控制的過(guò)程引出自動(dòng)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(diǎn)，而不是通過(guò)大量實(shí)例的羅列而引出。然后舉三個(gè)例子介紹開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制等概念。重點(diǎn)是反饋系統(tǒng)的原理、組成部件的闡述。動(dòng)態(tài)過(guò)程和對(duì)系統(tǒng)的性能要求只介紹初步概念。第二章介紹自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，包括微分方程、傳遞函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)。強(qiáng)調(diào)了用線性常系數(shù)微分方程描述的系統(tǒng)特點(diǎn)：疊加原理、時(shí)不變性、物理實(shí)現(xiàn)性；講梅森公式時(shí)，直接使用動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，不引入信號(hào)流圖，從而使梅森公式與方框圖融成一體。第三章介紹時(shí)域分析法，包括一、二階系統(tǒng)的分析與計(jì)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(jì)算和一般規(guī)律。講解穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，強(qiáng)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(shí)，強(qiáng)調(diào)了內(nèi)模原理與穩(wěn)定性要求，使得數(shù)學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性與物理概念一致。

內(nèi)容概要

　　《自動(dòng)控制原理》為北京市高等教育精品教材?！蹲詣?dòng)控制原理》是在北京航空航天大學(xué)內(nèi)部使用教材的基礎(chǔ)上修訂的，十余年來(lái)曾經(jīng)多次修改，精選內(nèi)容，注意教材的立體化配套?！蹲詣?dòng)控制原理》除了主教材，還有配套的《自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與習(xí)題解答》、《自動(dòng)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(kāi)編寫(xiě)，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(xué)基礎(chǔ)不同，處理問(wèn)題的思路不同，混編在一起有教學(xué)上的不便。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)編寫(xiě)模式的不足，建議在講現(xiàn)代控制理論時(shí)能有意識(shí)地多聯(lián)系經(jīng)典控制理論?！蹲詣?dòng)控制原理》在取材和闡述方式上，注意了工程性，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)融合一體，貫穿全書(shū)。在內(nèi)容上貫徹了刪繁就簡(jiǎn)的原則，避免過(guò)分地引申和擴(kuò)充。在敘述問(wèn)題時(shí)，力求概念明確、層次分明和遵循教學(xué)順序。在例題和習(xí)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(xué)選用。由于前六章與第七章、第八章、第九章的內(nèi)容有相對(duì)獨(dú)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(shū)籍目錄

第一章 自動(dòng)控制的一般概念§1-1 自動(dòng)控制的任務(wù)§1-2 自動(dòng)控制的基本方式§1-3 對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求習(xí)題第二章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(dòng)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(xí)題第三章 時(shí)域分析法§3-1 時(shí)域分析基礎(chǔ)§3-2 一、二階系統(tǒng)分析與計(jì)算§3-3 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析§3-4 穩(wěn)態(tài)誤差分析及計(jì)算習(xí)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(diǎn)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(xí)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(kāi)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(kāi)環(huán)頻率特性與系統(tǒng)階躍響應(yīng)的關(guān)系習(xí)題第六章 控制系統(tǒng)的校正§6-1 系統(tǒng)校正設(shè)計(jì)基礎(chǔ)§6-2 串聯(lián)校正§6-3 串聯(lián)校正的理論設(shè)計(jì)方法§6-4 反饋校正§6-5 復(fù)合校正習(xí)題第七章 非線性系統(tǒng)分析§7-1 非線性問(wèn)題概述§7-2 常見(jiàn)非線性因素對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(xí)題第八章 采樣系統(tǒng)理論§8-1 采樣過(guò)程與采樣定理§8-2 信號(hào)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(xí)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(cè)性§9-3 狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測(cè)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(xí)題附錄Ⅰ 拉普拉斯交換附錄Ⅱ 矩陣相似對(duì)角化和約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)形附錄Ⅲ MATLAB語(yǔ)言與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分習(xí)題解答

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：插圖：分析和設(shè)計(jì)任何一個(gè)控制系統(tǒng)，首要任務(wù)是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。描述系統(tǒng)的輸入、輸出變量以及系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。描寫(xiě)各變量動(dòng)態(tài)關(guān)系的表達(dá)式稱為動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，常用的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為微分方程。在實(shí)際工程中，不管是機(jī)械的、電氣的、液壓的、氣動(dòng)的系統(tǒng)，還是經(jīng)濟(jì)學(xué)的、生物學(xué)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(dāng)確切的相似性，即它們的動(dòng)態(tài)行為都可以用微分方程來(lái)描述，不同的物理系統(tǒng)可以具有同一形式的數(shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型的方法分為解析法和實(shí)驗(yàn)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(xué)定律列寫(xiě)出變量間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。而實(shí)驗(yàn)法則是對(duì)系統(tǒng)或元件輸入一定形式的信號(hào)（階躍信號(hào)，單位脈沖信號(hào)，正弦信號(hào)等），根據(jù)系統(tǒng)或元件的輸出響應(yīng)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理而辨識(shí)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。前種方法適用于簡(jiǎn)單、典型、通用常見(jiàn)的系統(tǒng)，而后種適用于復(fù)雜、非常見(jiàn)的系統(tǒng)。實(shí)際上常常是把這兩種方法結(jié)合起來(lái)建立數(shù)學(xué)模型更為有效。實(shí)際系統(tǒng)往往是很復(fù)雜的，都具有不同程度的非線性、時(shí)變甚至還帶有分布參數(shù)因素，很難準(zhǔn)確地用數(shù)學(xué)表達(dá)式描寫(xiě)各個(gè)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(duì)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略一些次要因素，使其避免數(shù)學(xué)處理上的困難，又不影響分析系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。當(dāng)忽略了非線性因素，并認(rèn)為參數(shù)是集中、定常時(shí)，描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為線性、定常微分方程。而對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng)，它的特點(diǎn)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(xué)模型為非線性微分方程，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)。若參數(shù)是非定常的，則對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)是時(shí)變系統(tǒng)。本章主要研究線性定常系統(tǒng)。

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《自動(dòng)控制原理》是北京市高等教育精品教材立項(xiàng)項(xiàng)目之一。

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