控制工程基礎(chǔ)及MATLAB實(shí)踐

前言

本書是普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，是為適應(yīng)機(jī)械類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)控制理論而編寫的，也適用于對(duì)控制理論有興趣并希望盡快掌握其基本內(nèi)容的工程師、學(xué)生等對(duì)象。控制理論自建立以來，經(jīng)歷了經(jīng)典控制論、現(xiàn)代控制理論、智能控制理論等階段，并且不斷地與新理論、新技術(shù)相結(jié)合，始終保持著旺盛的生命力。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，控制理論已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，在機(jī)械工程領(lǐng)域，控制理論更是得到了廣泛的應(yīng)用。針對(duì)機(jī)械行業(yè)的特點(diǎn)與要求，考慮到機(jī)械專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，在總結(jié)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)內(nèi)外同類優(yōu)秀教材的經(jīng)驗(yàn)，與多家院校教師合作，組織編寫了這部教材。本書覆蓋了經(jīng)典控制理論的基本內(nèi)容，同時(shí)也為進(jìn)一步掌握現(xiàn)代控制理論準(zhǔn)備了基本知識(shí)。建立數(shù)學(xué)模型是掌握控制理論的難點(diǎn)之一，本書不僅在數(shù)學(xué)模型建立部分主要講述了機(jī)械系統(tǒng)建模方法，還在各章實(shí)例分析中，采用大量的與實(shí)際生活及現(xiàn)代科技密切相關(guān)的實(shí)例，以期引起讀者的廣泛興趣，使讀者在充分闡述建立數(shù)學(xué)模型的思想與方法的同時(shí)，深刻領(lǐng)會(huì)控制理論應(yīng)用的普遍性與重要性。本書在理論闡述方面力求簡(jiǎn)潔扼要，同時(shí)在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)時(shí)，不拘泥于模型的形式，針對(duì)問題，將時(shí)域、狀態(tài)空間以及頻域等各種形式的模型自如運(yùn)用于系統(tǒng)分析中。本書將運(yùn)用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)性能分析的思想融入各個(gè)章節(jié)之中。由MATLAB生成的圖形使所要闡述的問題形象化、數(shù)字化，一些簡(jiǎn)單但費(fèi)時(shí)的數(shù)學(xué)運(yùn)算可以利用MATLAB來完成，在充分利用這一數(shù)學(xué)工具的同時(shí)，更加深刻理解控制理論的各種概念與設(shè)計(jì)思想。本書的各個(gè)章節(jié)之間的獨(dú)立性較強(qiáng)，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)中，因此狀態(tài)空間理論與離散系統(tǒng)的知識(shí)的掌握就不可避免，這兩部分的內(nèi)容可以根據(jù)實(shí)際情況選擇自學(xué)。本書所需學(xué)時(shí)數(shù)可以在40-64學(xué)時(shí)之間酌情選擇。本書由張若青、羅學(xué)科、王民主編。參加本書編寫的有：樊瑞（第1章）、羅學(xué)科（第2章）、張若青（第3—5章、第8章）、胡敦利（第6章）、王民（第7章）、徐繼寧（第9章、第10章）。全書由張若青修改定稿。本書由北京航空航天大學(xué)博士生導(dǎo)師裘麗華教授審閱，她對(duì)本書提出了許多寶貴意見，在此表示衷心的感謝。由于編者水平所限。書中難免有不少缺點(diǎn)和錯(cuò)誤，敬請(qǐng)廣大讀者與專家批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　《控制工程基礎(chǔ)及MATLAB實(shí)踐》包括控制理論的基本概念、控制系統(tǒng)的時(shí)域建模、頻域描述、時(shí)域分析、反饋控制系統(tǒng)性能、根軌跡分析、頻域分析發(fā)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、狀態(tài)空間基礎(chǔ)以及線性離散系統(tǒng)分析等基本內(nèi)容。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 引言1.2 控制理論的發(fā)展歷史1.3 控制系統(tǒng)的基本概念1.3.1 控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成1.3.2 控制系統(tǒng)的分類1.3.3 控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)1.4 機(jī)電控制系統(tǒng)實(shí)例1.5 MATLAB基礎(chǔ)1.5.1 MATLAB簡(jiǎn)介1.5.2 MATLAB主要特點(diǎn)習(xí)題第2章 控制系統(tǒng)的時(shí)域模型2.1 物理系統(tǒng)的微分方程2.2 小偏差線性化2.2.1 問題的提出2.2.2 線性化2.3 狀態(tài)與狀態(tài)方程2.3.1 狀態(tài)與狀態(tài)變量2.3.2 狀態(tài)方程2.4 機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立2.4.1 機(jī)械平移系統(tǒng)2.4.2 機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)2.4.3 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)2.5 其他系統(tǒng)建模2.6 小結(jié)習(xí)題第3章 控制系統(tǒng)的復(fù)數(shù)域描述3.1 拉氏變換3.1.1 拉氏變換的定義3.1.2 拉氏變換的性質(zhì)3.1.3 拉氏逆變換3.1.4 拉氏變換的應(yīng)用3.1.5 MATLAB求解拉氏變換與拉氏逆變換3.2 傳遞函數(shù)3.2.1 傳遞函數(shù)的基本概念3.2.2 關(guān)于傳遞函數(shù)的幾點(diǎn)說明3.2.3 傳遞函數(shù)陣3.3 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.3.1 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的基本元素3.3.2 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的化簡(jiǎn)3.4 信號(hào)流圖3.4.1 信號(hào)流圖的基本元素3.4.2 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與信號(hào)流圖之間的轉(zhuǎn)換3.4.3 梅森公式3.4.4 基于MATLAB的結(jié)構(gòu)圖變換仿真3.5 典型環(huán)節(jié)與控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)3.5.1 典型環(huán)節(jié)3.5.2 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)3.6 機(jī)電控制系統(tǒng)中的傳感器與直流電動(dòng)機(jī)3.6.1 傳感器與編碼器3.6.2 執(zhí)行電動(dòng)機(jī)3.7 實(shí)例分析3.8 小結(jié)習(xí)題第4章 控制系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)4.1 時(shí)域響應(yīng)的性能指標(biāo)4.1.1 典型測(cè)試信號(hào)4.1.2 時(shí)域性能指標(biāo)4.2 一階系統(tǒng)分析4.2.1 單位階躍響應(yīng)分析4.2.2 單位斜坡響應(yīng)分析4.2.3 單位脈沖響應(yīng)分析4.2.4 特征根的分布與響應(yīng)形式之間的關(guān)系4.3 二階系統(tǒng)分析4.3.1 單位階躍響應(yīng)4.3.2 單位階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)4.3.3 單位斜坡響應(yīng)4.3.4 特征根分布與。向應(yīng)形式之間的關(guān)系4.4 增加零、極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的影響4.4.1 單位反饋系統(tǒng)增加前向通路極點(diǎn)4.4.2 單位反饋系統(tǒng)增加前向通路零點(diǎn)4.4.3 閉環(huán)系統(tǒng)增加極點(diǎn)4.4.4 閉環(huán)系統(tǒng)增加零點(diǎn)4.5 高階系統(tǒng)近似4.6 狀態(tài)空間模型的時(shí)域響應(yīng)分析4.7 MATLAB環(huán)境下時(shí)域響應(yīng)分析4.8 穩(wěn)定性分析4.8.1 穩(wěn)定性概念4.8.2 代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)4.8.3 相對(duì)穩(wěn)定性4.9 實(shí)例分析4.1 0小結(jié)習(xí)題第5章 反饋控制系統(tǒng)的性能5.1 穩(wěn)態(tài)誤差5.1.1 非線性與誤差5.1.2 誤差的基本概念5.1.3 典型輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差5.1.4 穩(wěn)態(tài)誤差與閉環(huán)傳遞函數(shù)之間的關(guān)系5.2 反饋與參數(shù)魯棒性5.2.1 參數(shù)靈敏度5.2.2 反饋控制系統(tǒng)中的干擾信號(hào)5.2.3 反饋的副作用5.3 指標(biāo)函數(shù)與最優(yōu)系統(tǒng)5.3.1 時(shí)域法5.3.2 頻域法5.4 實(shí)例分析5.5 小結(jié)習(xí)題第6章 根軌跡分析6.1 基本概念6.1.1 根軌跡6.1.2 根軌跡方程6.2 根軌跡繪制法則6.3 根軌跡繪制舉例6.4 其他形式的根軌跡6.4.1 正反饋系統(tǒng)的根軌跡6.4.2 非最小相位系統(tǒng)的根軌跡6.4.3 參數(shù)根軌跡6.5 根軌跡分析6.6 MATLAB環(huán)境下根軌跡的繪制6.7 實(shí)例分析6.8 小結(jié)習(xí)題第7章 頻域分析法7.1 頻率特性的概念7.1.1 頻率特性的物理意義7.1.2 頻率特性的數(shù)學(xué)意義7.1.3 頻率特性的表示方法7.1.4 頻率特性的性能指標(biāo)7.2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性7.2.1 比例環(huán)節(jié)7.2.2 積分環(huán)節(jié)7.2.3 微分環(huán)節(jié)7.2.4 慣性環(huán)節(jié)7.2.5 一階微分環(huán)節(jié)7.2.6 二階振蕩環(huán)節(jié)7.2.7 二階微分環(huán)節(jié)7.2.8 一階不穩(wěn)定環(huán)節(jié)7.2.9 延遲環(huán)節(jié)7.3 控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性7.3.1 開環(huán)幅相特性7.3.2 開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性7.4 頻率特性的測(cè)試方法7.5 頻域穩(wěn)定性判據(jù)7.5.1 米哈伊洛夫定理7.5.2 奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)7.5.3 關(guān)于原點(diǎn)處極點(diǎn)或零點(diǎn)的處理7.5.4 穩(wěn)定性判據(jù)的對(duì)數(shù)形式7.5.5 條件穩(wěn)定系統(tǒng)7.5.6 多回路系統(tǒng)7.6 穩(wěn)定裕度7.7 系統(tǒng)頻域響應(yīng)與時(shí)域響應(yīng)的關(guān)系7.7.1 典型二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)與頻域響應(yīng)的關(guān)系7.7.2 一般系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)與頻域響應(yīng)之間的關(guān)系7.7.3 開環(huán)頻率特性與閉環(huán)頻率特性之間的關(guān)系7.8 基于MATLAB的頻域分析7.9 實(shí)例分析7.1 0小結(jié)習(xí)題第8章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.1 性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)方法8.2 校正方式8.3 串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)8.3.1 超前校正網(wǎng)絡(luò)8.3.2 滯后校正網(wǎng)絡(luò)8.3.3 滯后一超前校正網(wǎng)絡(luò)8.4 超前校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)8.4.1 超前校正網(wǎng)絡(luò)的頻域設(shè)計(jì)8.4.2 超前校正網(wǎng)絡(luò)的根軌跡設(shè)計(jì)8.5 滯后校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)8.5.1 滯后校正網(wǎng)絡(luò)的頻域設(shè)計(jì)8.5.2 滯后校正網(wǎng)絡(luò)的根軌跡設(shè)計(jì)8.6 實(shí)例分析8.7 小結(jié)習(xí)題第9章 狀態(tài)空間法基礎(chǔ)9.1 引論9.2 狀態(tài)空間表達(dá)式的建立9.2.1 由結(jié)構(gòu)圖模型建立狀態(tài)空間表達(dá)式9.2.2 由傳遞函數(shù)模型建立狀態(tài)空間表達(dá)式9.3 狀態(tài)變換9.3.1 狀態(tài)向量的非唯一性及特征值不變性9.3.2 常用標(biāo)準(zhǔn)型9.3.3 MATLAB下建立狀態(tài)空間模型9.4 系統(tǒng)能控性和能觀性9.4.1 能控性9.4.2 能觀性9.4.3 單輸入系統(tǒng)的能控標(biāo)準(zhǔn)型和能觀標(biāo)準(zhǔn)型9.4.4 系統(tǒng)能控性與能觀性的對(duì)偶原理9.4.5 基于MATLAB的能控性與能觀性分析9.5 李雅普諾夫穩(wěn)定性與判別方法9.5.1 李雅普諾夫的穩(wěn)定性定義9.5.2 李雅普諾夫的穩(wěn)定性判據(jù)9.5.3 線性定常系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析9.5.4 基于MATLAB的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析9.6 線性定常系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與綜合；9.6.1 狀態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)極點(diǎn)配置9.6.2 最優(yōu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)9.6.3 狀態(tài)觀測(cè)器及其應(yīng)用9.7 實(shí)例分析9.8 小結(jié)習(xí)題第10章 線性離散系統(tǒng)分析10.1 引論10.2 信號(hào)的采樣與復(fù)現(xiàn)10.2.1 采樣過程與采樣定理10.2.2 信號(hào)保持10.2.3 A／D轉(zhuǎn)換器和D／A轉(zhuǎn)換器10.3 z變換理論10.3.1 差分與差分方程10.3.2 z變換的定義10.3.3 z變換的方法10.3.4 z變換的性質(zhì)10.3.5 z逆變換10.4 脈沖傳遞函數(shù)10.4.1 離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)定義10.4.2 脈沖傳遞函數(shù)10.5 離散系統(tǒng)響應(yīng)的求解10.5.1 z變換方法求解差分方程10.5.2 利用MATLAB求解離散響應(yīng)10.6 線性定常離散系統(tǒng)的分析10.6.1 線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性10.6.2 離散系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差10.6.3 離散系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析10.6.4 用LTIVicwer對(duì)離散控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析10.7 實(shí)例分析10.8 小結(jié)習(xí)題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：1.1 引言控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，而所謂自動(dòng)控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行和變化。在工程技術(shù)與科學(xué)的發(fā)展過程中，控制理論發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。除了在空間飛行器、導(dǎo)彈導(dǎo)航系統(tǒng)以及機(jī)器人中扮演的重要角色以外，在現(xiàn)代制造工業(yè)、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域，控制理論的作用也越來越重要。例如，數(shù)控機(jī)床加工工具的數(shù)字控制，轎車與卡車的設(shè)計(jì)、壓力、溫度、濕度、流量等過程變量的控制，都離不開控制理論?？刂评碚撆c實(shí)踐發(fā)展的結(jié)果是獲得具有最優(yōu)性能的控制系統(tǒng)、提高生產(chǎn)率、減輕手工勞動(dòng)強(qiáng)度，因此越來越多的科學(xué)家與工程師需要更好地掌握這一領(lǐng)域的知識(shí)?？刂评碚摻⒃诜答伬碚撆c線性系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，集成了網(wǎng)絡(luò)及通信理論的一些概念，因此該理論并不限于某一特定的工程領(lǐng)域，而是可以應(yīng)用在航空、航天、化學(xué)、機(jī)械、環(huán)境、電子工程等諸多領(lǐng)域。同時(shí)，由于一個(gè)控制系統(tǒng)通常包括電子、機(jī)械、化學(xué)等元件，故而控制理論還是一門跨學(xué)科的基礎(chǔ)理論。線性系統(tǒng)理論所假定的，構(gòu)成系統(tǒng)的元件的輸入、輸出之間存在因果關(guān)系，是控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)。一個(gè)元件或過程如果可控，如圖1.1 所示，輸入作用于過程（或系統(tǒng)），使系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的輸出。這種輸人、輸出之間的關(guān)系既表示了過程的因果關(guān)系，也表明如果給予一個(gè)系統(tǒng)或過程輸入信號(hào)，就可以產(chǎn)生輸出信號(hào)，當(dāng)然經(jīng)常需要功率放大裝置，如圖1.2 所示。這種利用驅(qū)動(dòng)裝置直接對(duì)過程進(jìn)行控制、所有信號(hào)單向傳遞、不存在信號(hào)回饋（或稱反饋），即輸出對(duì)輸入沒有反作用的控制系統(tǒng)，稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。圖1.2 開環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)相反，閉環(huán)控制系統(tǒng)利用輸出量的測(cè)量值，使之與理想輸出進(jìn)行比較，這時(shí)輸出量的測(cè)量值即為反饋信號(hào)，簡(jiǎn)單閉環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖1.3 所示。閉環(huán)控制系統(tǒng)就是通過比較，將輸出量與理想輸出量之間的差值作為控制信號(hào)，作用于控制器與過程，即輸出信號(hào)反過來影響控制輸入信號(hào)，構(gòu)成了輸出信號(hào)的反饋（負(fù)反饋），形成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此又稱為反饋控制系統(tǒng)。

編輯推薦

《控制工程基礎(chǔ)及MATLAB實(shí)踐》是王民等編寫的，由高等教育出版社出版。

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