自動(dòng)控制原理與應(yīng)用

前言

　　20世紀(jì)后期，自動(dòng)控制理論得到了不斷的完善與發(fā)展，各種先進(jìn)控制算法也逐步應(yīng)用于實(shí)際工程?！白詣?dòng)控制理論與應(yīng)用”作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，不僅對(duì)工程技術(shù)有著指導(dǎo)作用，而且對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的思維能力及綜合分析問(wèn)題的能力具有重要的作用?！　「叩嚷殬I(yè)教育作為高等教育的一個(gè)重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力的同時(shí)，重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。本書(shū)就是本著“必需、夠用”的原則，以工程技術(shù)應(yīng)用能力的培養(yǎng)為主線組織教學(xué)內(nèi)容，突出實(shí)際應(yīng)用，突出工程概念。全書(shū)注入了編著者的大量心血，總結(jié)了編著者多年在科研和教學(xué)上的經(jīng)驗(yàn)，書(shū)中很多應(yīng)用實(shí)例來(lái)自于作者的科研成果，力爭(zhēng)做到重點(diǎn)突出，強(qiáng)化工程應(yīng)用，減少繁瑣的數(shù)學(xué)推演，同時(shí)注意到科研水平的發(fā)展，將現(xiàn)在非常流行的MATLAB軟件的仿真貫穿于書(shū)中的每一重要知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)建立起一個(gè)先進(jìn)的、全面的工程理念?！　∪珪?shū)共分七章。第1章介紹了自動(dòng)控制的基本概念，給出了自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的術(shù)語(yǔ)及性能指標(biāo)。學(xué)生學(xué)完本章后應(yīng)具有自動(dòng)控制系統(tǒng)的整體概念?！　〉?章講述了自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，給出了結(jié)構(gòu)框圖、拉普拉斯變換及傳遞函數(shù)的概念，討論了典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。學(xué)生學(xué)完本章后應(yīng)學(xué)會(huì)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，并能夠運(yùn)用拉普拉斯變換將微分量轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)數(shù)域的數(shù)學(xué)模型?！　〉?章介紹了仿真軟件MATLAB的基本組成及運(yùn)用，給出了運(yùn)用MATLAB來(lái)建立結(jié)構(gòu)框圖和仿真結(jié)果輸出的方法。學(xué)生學(xué)完本章后應(yīng)能運(yùn)用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真輸出?！　〉?章介紹了自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)域分析方法和根軌跡分析方法，給出了典型輸入函數(shù)在系統(tǒng)中的時(shí)域響應(yīng)分析，討論了系統(tǒng)穩(wěn)定性的判別方法，最后給出了運(yùn)用MATLAB進(jìn)行仿真輸出的結(jié)果。學(xué)生學(xué)完本章應(yīng)具有自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)域分析的能力，并能運(yùn)用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域仿真分析?！　〉?章自動(dòng)控制系統(tǒng)的頻域分析是工程上重點(diǎn)應(yīng)用的方法，本章重點(diǎn)介紹了典型環(huán)節(jié)的頻域特性和穩(wěn)定性分析，給出了MATLAB仿真結(jié)果。學(xué)生學(xué)完本章后應(yīng)具有自動(dòng)控制系統(tǒng)的頻域分析和運(yùn)用MATLAB進(jìn)行仿真的能力?！　〉?章全面介紹了自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，并詳細(xì)分析了穩(wěn)態(tài)誤差及動(dòng)態(tài)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的影響。學(xué)生學(xué)完本章后應(yīng)能正確評(píng)價(jià)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能?！　〉?章介紹了自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的控制器，重點(diǎn)介紹了工程中常用的校正控制器，并運(yùn)用MATLAB對(duì)校正結(jié)果進(jìn)行仿真。學(xué)生學(xué)完本章后應(yīng)能正確運(yùn)用常用校正控制器。

內(nèi)容概要

　　《自動(dòng)控制原理與應(yīng)用》是高等職業(yè)學(xué)?！白詣?dòng)控制原理”課程的規(guī)劃教材。本著“必需、夠用”的原則，教材從工程技術(shù)應(yīng)用的角度，全面系統(tǒng)地介紹了自動(dòng)控制理論基本分析和研究方法。內(nèi)容包括：自動(dòng)控制的基本概念，自動(dòng)控制的數(shù)學(xué)模型，MATLAB仿真軟件，時(shí)域分析法，頻域分析法，自動(dòng)控制系統(tǒng)性能分析以及控制系統(tǒng)的校正等。全書(shū)將MATLAB仿真軟件應(yīng)用于自動(dòng)控制理論分析，提高了學(xué)生對(duì)控制理論的理解.增強(qiáng)了高等職業(yè)學(xué)校學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力?！蹲詣?dòng)控制原理與應(yīng)用》可作為高等職業(yè)學(xué)校自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)及應(yīng)用、應(yīng)用電子技術(shù)等專(zhuān)業(yè)的教學(xué)用書(shū)。也適用于職工大學(xué)、函授大學(xué)的相近專(zhuān)業(yè)，并可供從事自動(dòng)化技術(shù)的工程技術(shù)人員參考。

書(shū)籍目錄

第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)1.2 自動(dòng)控制的基本方式1.2.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)1.2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類(lèi)1.3.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成1.3.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求小結(jié)習(xí)題第2章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.1 拉普拉斯變換及其運(yùn)用2.1.1 拉普拉斯變換的定義2.1.2 拉普拉斯變換運(yùn)算定理2.1.3 拉普拉斯逆變換2.1.4 拉普拉斯變換應(yīng)用舉例2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立2.2.1 動(dòng)態(tài)微分方程2.2.2 傳遞函數(shù)2.2.3 典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)2.2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2.5 結(jié)構(gòu)框圖的變換法則2.2.6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖化簡(jiǎn)及系統(tǒng)傳遞函數(shù)的求取小結(jié)習(xí)題第3章 MATLAB與SIMULINK簡(jiǎn)介3.1 MATLAB語(yǔ)言3.1.1 MATLAB語(yǔ)言簡(jiǎn)述3.1.2 MATLAB6.X版對(duì)外部系統(tǒng)的要求3.1.3 MATLAB的安裝及啟動(dòng)3.1.4 MATLAB指令窗簡(jiǎn)介3.1..5 MATLAB在仿真中的應(yīng)用3.1.6 MATLAB的基本規(guī)定3.1.7 MATLAB圖形繪制3.1.8 MATLAB語(yǔ)言在控制系統(tǒng)分析中的應(yīng)用3.2 SIMULINK建模與仿真3.2.1 SIMULINK簡(jiǎn)介3.2.2 SIMULINK模塊庫(kù)的分類(lèi)及其用途3.2.3 用SIMULINK建立系統(tǒng)模型及仿真3.3 仿真實(shí)例小結(jié)習(xí)題第4章 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析4.1 一階系統(tǒng)的時(shí)域分析4.1.1 一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述4.1.2 一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)4.1.3 一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)4.1.4 一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)4.1.5 三種典型輸入信號(hào)作用于一階系統(tǒng)的響應(yīng)比較4.2 二階系統(tǒng)的時(shí)域分析4.2.1 二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型4.2.2 ——階系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)4.2.3 ——階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)4.2.4 二階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)4.3 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析4.3.1 穩(wěn)定性的基本概念4.3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件4.3.3 勞思穩(wěn)定判據(jù)4.4 MATLAB在時(shí)域分析中的運(yùn)用4.4.1 系統(tǒng)零極點(diǎn)分布4.4.2 系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的仿真4.5 根軌跡分析法4.5.1 根軌跡的基本概念4.5.2 利用MATLAB進(jìn)行根軌跡繪制4.5.3 控制系統(tǒng)的根軌跡分析小結(jié)習(xí)題第5章 控制系統(tǒng)的頻率分析5.1 頻率特性的基本概念5.1.1 頻率特性的基本概念5.1.2 頻率特性與傳遞函數(shù)的關(guān)系5.1.3 頻率特性的幾何表示法5.2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性5.2.1 比例環(huán)節(jié)5.2.2 積分環(huán)節(jié)5.2.3 微分環(huán)節(jié)5.2.4 慣性環(huán)節(jié)5.2.5 一階微分環(huán)節(jié)5.2.6 振蕩環(huán)節(jié)5.3 控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性5.3.1 控制系統(tǒng)的型別5.3.2 控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)伯德圖5.4 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)5.5 系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量5.6 MATLAB繪制系統(tǒng)的頻率特性圖小結(jié)習(xí)題第6章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能分析6.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能分析6.1.1 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的概念6.1.2 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)型別、開(kāi)環(huán)增益間的關(guān)系6.1.3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差與輸入信號(hào)間的關(guān)系6.1.4 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析綜述6.2 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析6.2.1 典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)6.2.2 二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)6.2.3 二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析6.2.4 利用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析6.3 利用頻率特性分析系統(tǒng)性能6.3.1 用開(kāi)環(huán)頻率特性分析系統(tǒng)的性能6.3.2 閉環(huán)頻率特性與系統(tǒng)階躍響應(yīng)的關(guān)系小結(jié)習(xí)題第7章 自動(dòng)控制系統(tǒng)控制器及其校正與設(shè)計(jì)7.1 校正用的控制器7.2 校正的基本規(guī)律7.2.1 無(wú)源校正7.2.2 比例(P)控制器校正7.2.3 積分控制器(I)校正7.2.4 比例積分(PI)校正7.2.5 比例微分(PD)校正7.2.6 比例積分微分(PID)校正7.2.7 反饋校正7.3 復(fù)合補(bǔ)償7.3.1 按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膹?fù)合校正7.3.2 按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合校正7.4 其他控制器7.4.1 開(kāi)關(guān)量控制器7.4.2 數(shù)字控制器小結(jié)習(xí)題附錄1 SIMULINK基本模塊介紹附錄2 MATLAB控制系統(tǒng)工具箱函數(shù)介紹參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　自動(dòng)控制技術(shù)從20世紀(jì)中葉以來(lái)逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防和宇航等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。例如溫室的溫度和濕度能自動(dòng)保持恒定、導(dǎo)彈能夠準(zhǔn)確地命中目標(biāo)、人造衛(wèi)星能按預(yù)定的軌道運(yùn)行并返回地面、宇宙飛船能準(zhǔn)確地在月球著陸并重返地球等，都是自動(dòng)控制技術(shù)迅速發(fā)展的結(jié)果。再如在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)諸如壓力、流量、頻率、速度、物位、成分等方面的控制，也都離不開(kāi)自動(dòng)控制技術(shù)?？梢哉f(shuō)自動(dòng)控制技術(shù)已滲透到生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域?！　∷^自動(dòng)控制，是指在沒(méi)有人直接干預(yù)的情況下，利用物理裝置對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和工藝過(guò)程進(jìn)行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規(guī)律變化。例如要使一臺(tái)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行，工程師就要采取某種措施，比如負(fù)載變化時(shí)就要改變磁場(chǎng)以保持發(fā)電機(jī)的輸出電壓不變，這種工作可以人工進(jìn)行，但如果通過(guò)一定的裝置來(lái)完成這一工作過(guò)程，就不需要人的參與，這種控制就是自動(dòng)控制?！　∽詣?dòng)控制系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要的各種物理部件的有機(jī)組合體。它一般包括控制器和被控制對(duì)象兩大部分。被控制對(duì)象（簡(jiǎn)稱(chēng)被控對(duì)象）是指要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的生產(chǎn)設(shè)備或工藝過(guò)程；控制器則是指對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備。系統(tǒng)中被控制的物理量稱(chēng)為被控量或輸出量；決定被控量的物理量稱(chēng)為控制量或給定量；妨礙控制量對(duì)被控量進(jìn)行正?？刂频乃幸蛩胤Q(chēng)為擾動(dòng)量。給定量和擾動(dòng)量都是自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入量。擾動(dòng)量按其來(lái)源可分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)。自動(dòng)控制的任務(wù)實(shí)際上就是克服擾動(dòng)量的影響，使系統(tǒng)按所要求的規(guī)律運(yùn)行。

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