控制理論及其應(yīng)用

前言

　　隨著中國(guó)高等教育持續(xù)發(fā)展，研究生教育發(fā)生了很大變化，我國(guó)已經(jīng)迅速跨入了世界研究生教育大國(guó)的行列。為了滿足研究生教育的需求，高等教育出版社組織了若干套叢書作為研究生教學(xué)參考用書。其中，機(jī)械工程學(xué)科研究生教學(xué)用書是在對(duì)全國(guó)機(jī)械工程學(xué)科研究生教育及其教學(xué)用書進(jìn)行全面調(diào)研的基礎(chǔ)上，由“機(jī)械工程學(xué)科研究生教學(xué)資源建設(shè)委員會(huì)”組織編寫的。組織、編寫、出版這套研究生教學(xué)用書是一件既有教學(xué)價(jià)值，又有學(xué)術(shù)價(jià)值的工作?！　∨囵B(yǎng)研究生應(yīng)當(dāng)特別重視能力的培養(yǎng)。所謂能力，包括自我充實(shí)的能力，即獨(dú)立從一個(gè)領(lǐng)域進(jìn)入另一個(gè)領(lǐng)域的能力，以及解決問(wèn)題的能力。知識(shí)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的集合：昨天的新知識(shí)，今天就可能變成一般的知識(shí)，明天也許就要變?yōu)樾枰右愿碌闹R(shí)。競(jìng)爭(zhēng)迫使人們不斷更新自己的知識(shí)和進(jìn)入新的領(lǐng)域。任何人都不可能將他一生中解決問(wèn)題需要用到的知識(shí)都在學(xué)校里裝進(jìn)大腦，也不可能年輕時(shí)學(xué)了的就可以用一輩子。因此，如何培養(yǎng)自我充實(shí)能力是非常重要的教育課題，特別是在研究生培養(yǎng)階段?！　∽晕页鋵?shí)主要有三個(gè)途徑：瀏覽、讀書和實(shí)踐。在信息技術(shù)高度發(fā)展的時(shí)代，為一個(gè)名詞搜集幾萬(wàn)條信息，往往只是幾秒鐘的事。因此，需要將瀏覽和讀書作為兩個(gè)不同的學(xué)習(xí)方法區(qū)分開來(lái)。瀏覽是遍歷廣泛的信息而可以不甚了了，讀書則不同，讀書是為了對(duì)所描述的領(lǐng)域進(jìn)行深入的了解。要了解一個(gè)領(lǐng)域，并且想進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，最好的辦法就是先找一本這個(gè)領(lǐng)域的經(jīng)典著作，老老實(shí)實(shí)地讀完。不僅要掌握書中闡述的基本概念，還要弄懂書中介紹的基本理論，學(xué)好書中采用的基本方法。如果有計(jì)算公式，那么最好一個(gè)一個(gè)地推導(dǎo)，如果有作業(yè)，最好一個(gè)一個(gè)做一遍。讀完以后，再依照書和借助其他工具的引導(dǎo)，去瀏覽可能得到的信息以豐富自己。此時(shí)，對(duì)于得到的信息，不僅要能夠辨別信息的可信程度，而且要估計(jì)它的重要性并判斷是否需要花時(shí)間和需要花多少時(shí)間去進(jìn)一步了解。這樣就完成了從不了解到進(jìn)入一個(gè)領(lǐng)域的第一步。一本好書，還應(yīng)當(dāng)起到幫助初學(xué)者掌握正確的學(xué)習(xí)方法和以嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的治學(xué)態(tài)度潛移默化地感染讀者的作用?！　∵M(jìn)入一個(gè)領(lǐng)域的第二步，也是不可缺少的一步，就是實(shí)踐。一個(gè)人，不論他讀了多少書，如果沒(méi)有親自做過(guò)，他就不可能真正領(lǐng)會(huì)很多理論和方法的精髓。當(dāng)他要用讀到的知識(shí)去解決問(wèn)題時(shí)，就會(huì)覺(jué)得沒(méi)有把握。另外，任何書都不可能完美無(wú)缺，經(jīng)過(guò)實(shí)踐，不僅能夠更深入地理解書中正確的方面，更可以發(fā)現(xiàn)書中論點(diǎn)和方法的不足之處。讀書不是為了做書呆子，而是為了在前人成功的基礎(chǔ)上找到自己前進(jìn)的方向?！　纳厦娴姆治隹梢钥吹?，一本經(jīng)典著作，對(duì)于引領(lǐng)一個(gè)人進(jìn)入一個(gè)領(lǐng)域，是多么的重要?？上КF(xiàn)在這樣的好書太少了，按照這種要求來(lái)寫的書太少了。另外，能夠這樣讀書的人也太少了。很多人往往滿足于在網(wǎng)絡(luò)上瀏覽，或者用對(duì)待查手冊(cè)的態(tài)度對(duì)待讀書。讀得也不少，但是越讀越理不出頭緒。

內(nèi)容概要

　　《控制理論及其應(yīng)用》介紹的內(nèi)容是理論與實(shí)踐密切結(jié)合的跨學(xué)科的綜合技術(shù)，主要是應(yīng)用古典控制理論和現(xiàn)代控制理論分析和解決工程技術(shù)問(wèn)題。主要內(nèi)容包括機(jī)械系統(tǒng)模型的建立及機(jī)電相似系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)的典型信號(hào)和典型環(huán)節(jié)、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其分析、根軌跡法、控制系統(tǒng)的評(píng)價(jià)和誤差分析與計(jì)算、自動(dòng)控制系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)、機(jī)械系統(tǒng)的建模與分析、機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)速度和位置控制及穩(wěn)定性分析、控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述、控制系統(tǒng)狀態(tài)方程的解、李雅普諾夫穩(wěn)定性分析、控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間綜合法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及其應(yīng)用、模糊控制及其應(yīng)用等。　　《控制理論及其應(yīng)用》可作為普通高等學(xué)校機(jī)械工程學(xué)科研究生教學(xué)用書，還可供相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員自學(xué)與參考。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 基本概念1.2 機(jī)械控制系統(tǒng)的組成及其研究?jī)?nèi)容1.2.1 控制系統(tǒng)性能分析1.2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第2章 機(jī)械系統(tǒng)模型的建立及機(jī)電相似系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)換2.1 機(jī)械系統(tǒng)模型的建立2.2 機(jī)電相似系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)換第3章 系統(tǒng)的典型信號(hào)和典型環(huán)節(jié)3.1 系統(tǒng)的典型信號(hào)及其時(shí)間響應(yīng)分析3.1.1 系統(tǒng)的典型信號(hào)3.1.2 系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)數(shù)學(xué)模型的建立與時(shí)間響應(yīng)分析3.2 系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和典型環(huán)節(jié)3.2.1 頻率響應(yīng)3.2.2 機(jī)械系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)及其特性的描述3.2.3 電系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)及其特性的描述3.3 有關(guān)頻率的基本概念3.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的概念第4章 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其分析4.1 系統(tǒng)的穩(wěn)定性4.2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)4.2.1 解方程穩(wěn)定判據(jù)（求解閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程法）4.2.2 勞斯穩(wěn)定判據(jù)4.2.3 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)（簡(jiǎn)稱奈氏判據(jù)）4.2.4 對(duì)數(shù)幅相頻率特性穩(wěn)定判據(jù)4.3 系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量4.3.1 奈氏穩(wěn)定判據(jù)的穩(wěn)定裕量4.3.2 對(duì)數(shù)幅相頻率特性穩(wěn)定判據(jù)的穩(wěn)定裕量4.4 液壓仿形刀架控制系統(tǒng)的綜合分析與計(jì)算第5章 根軌跡法5.1 控制系統(tǒng)的根軌跡5.1.1 根軌跡的基本概念5.1.2 控制系統(tǒng)根軌跡的分析5.2 根軌跡所遵循的幅值和幅角條件5.3 繪制根軌跡的基本規(guī)則及步驟第6章 控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的分析與計(jì)算6.1 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的分析6.2 穩(wěn)態(tài)誤差中的靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差計(jì)算6.2.1 靜態(tài)誤差6.2.2 動(dòng)態(tài)誤差6.3 液壓仿形刀架控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算6.3.1 跟隨誤差essi的計(jì)算6.3.2 負(fù)載誤差essf的計(jì)算第7章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)7.1 校正問(wèn)題的提出7.2 各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響7.3 系統(tǒng)的校正7.3.1 超前校正7.3.2 滯后校正7.3.3 滯后一超前校正7.3.4 PID校正第8章 機(jī)械系統(tǒng)的建模與分析8.1 機(jī)床工作臺(tái)的位置控制系統(tǒng)分析8.2 機(jī)床工作臺(tái)的速度控制系統(tǒng)分析8.3 活塞銷孔鏜削加工的表面質(zhì)量分析與控制第9章 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的速度和位置控制及穩(wěn)定性分析9.1 機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)的組成9.1.1 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的開環(huán)控制9.1.2 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的閉環(huán)控制9.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立9.3 速度控制系統(tǒng)的建立及穩(wěn)定性的對(duì)比分析9.3.1 直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的建立9.3.2 速度控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立及穩(wěn)定性的對(duì)比分析9.3.3 速度反饋控制系統(tǒng)根軌跡的繪制9.4 位置控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立及穩(wěn)定性對(duì)比分析9.4.1 無(wú)速度反饋的位置控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立與穩(wěn)定性分析9.4.2 有速度反饋的位置控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立與穩(wěn)定性分析第10 章 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述10.1 狀態(tài)空間描述的基本概念10 .2 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程及輸出方程10.2.1 由系統(tǒng)微分方程列寫狀態(tài)方程及輸出方程10.2.2 由系統(tǒng)狀態(tài)變量圖寫線性定常系統(tǒng)狀態(tài)方程及輸出方程10.2.3 由系統(tǒng)框圖直接列寫狀態(tài)方程及輸出方程10.3 非線性連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程及輸出方程10.3.1 典型非線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程及輸出方程10.3.2 本征非線性控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程及輸出方程10.4 線性時(shí)變連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程及輸出方程10.5 線性離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程及輸出方程10.5.1 作用函數(shù)不合未來(lái)值時(shí)線性離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程與輸出方程10.5.2 作用函數(shù)含未來(lái)值時(shí)線性離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程與輸出方程10.6 利用MAT1AB數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換列寫系統(tǒng)狀態(tài)方程10.7 實(shí)際控制系統(tǒng)狀態(tài)方程的列寫舉例10.7.1 泵控液壓馬達(dá)位置伺服系統(tǒng)狀態(tài)方程及輸出方程10.7.2 帶有阻尼柱塞導(dǎo)控型兩級(jí)高壓減壓閥的狀態(tài)方程及輸出方程第11章 控制系統(tǒng)狀態(tài)方程的解11.1 線性定常系統(tǒng)狀態(tài)方程的解11.1.1 齊次狀態(tài)方程的解11.1.2 矩陣指數(shù)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣11.1.3 非齊次狀態(tài)方程的解11.1.4 線性時(shí)變系統(tǒng)狀態(tài)方程的解11.2 離散系統(tǒng)狀態(tài)方程的解11.2.1 線性定常離散系統(tǒng)狀態(tài)方程的解11.2.2 線性時(shí)變離散系統(tǒng)狀態(tài)方程的解11.2.3 連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程的離散化11.3 基于MAT1AB與SIMU1INK上的控制系統(tǒng)時(shí)域特性分析11.3.1 基于MAT1AB上的控制系統(tǒng)時(shí)域特性分析11.3.2 基于SIMU1INK上的控制系統(tǒng)時(shí)域特性分析11.3.3 非線性控制系統(tǒng)的時(shí)域特性分析11.3.4 離散控制系統(tǒng)的時(shí)域特性分析第12章 李雅普諾夫穩(wěn)定性分析12.1 平衡狀態(tài)和歐幾里得范數(shù)及狀態(tài)方程解的軌跡12.2 李雅普諾夫穩(wěn)定性定義12.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性的李雅普諾夫判別法12.3.1 李雅普諾夫第一法12.3.2 正定函數(shù)和二次型函數(shù)及李雅普諾夫第二法12.3.3 李雅普諾夫穩(wěn)定定理12.4 線性系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析12.4.1 線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析12.4.2 線性時(shí)變系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析12.4.3 線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析12.4.4 線性時(shí)變離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析12.4.5 應(yīng)用李雅普諾夫第二法求解系統(tǒng)參數(shù)最優(yōu)化問(wèn)題第13章 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間綜合法13.1 線性系統(tǒng)的能控性與能觀測(cè)性13.1.1 線性定常離散系統(tǒng)的能控性13.1.2 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的能控性13.1.3 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的輸出能控性13.1.4 線性定常離散系統(tǒng)狀態(tài)能觀測(cè)性13.1.5 對(duì)偶原理13.1.6 系統(tǒng)完全能控條件與完全能觀條件的另一種形式13.1.7 系統(tǒng)狀態(tài)完全能控和完全能觀及傳遞函數(shù)13.1.8 系統(tǒng)狀態(tài)完全能控和完全能觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)形13.2 線性系統(tǒng)的狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測(cè)器13.2.1 概述13.2.2 具有狀態(tài)反饋和輸出反饋系統(tǒng)的能控性與能觀測(cè)性13.2.3 極點(diǎn)配置問(wèn)題13.2.4 狀態(tài)觀測(cè)器13.2.5 利用MAT1AB實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的極點(diǎn)配置第14章 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及其應(yīng)用14.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制產(chǎn)生的背景14.2 生物學(xué)的啟示14.3 人工神經(jīng)元14.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的組成14.5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)14.5.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方式14.5.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算14.6 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的線切割加工質(zhì)量及效率控制14.6.1 線切割加工BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)14.6.2 線切割加工質(zhì)量及效率控制BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練第15章 模糊控制及其應(yīng)用15.1 模糊控制及產(chǎn)生的背景15.2 模糊控制系統(tǒng)15.2.1 模糊變量的描述15.2.2 模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)15.3 磨削加工表面粗糙度的模糊控制附錄參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類　　任何事物的分類都是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，難以準(zhǔn)確地給予統(tǒng)一的定義，不同的結(jié)構(gòu)、不同的應(yīng)用背景、不同的原理等都有不同的分類方法。下面從不同的角度對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分類?！　?.按系統(tǒng)組成的物理性質(zhì)分類　　可分為電氣控制系統(tǒng)、機(jī)械控制系統(tǒng)、流體控制系統(tǒng)、電氣一流體控制系統(tǒng)等?！　?.按系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（微分方程）的性質(zhì)分類　?。?）線性系統(tǒng)　　線性系統(tǒng)指自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)和性能可用線性微分方程或線性差分方程來(lái)描述的系統(tǒng)。它又可分為：　　1）線性定常系統(tǒng)：描述線性系統(tǒng)的微分方程或差分方程的系數(shù)是不隨時(shí)間而變化的常數(shù)?！　?）線性時(shí)變系統(tǒng)：描述線性系統(tǒng)的微分方程或差分方程的系數(shù)是時(shí)間的函數(shù)?！　。?）非線性系統(tǒng)　　自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)和性能可用非線性微分方程描述的系統(tǒng)。它可以分為非線性定常系統(tǒng)和非線性時(shí)變系統(tǒng)。　?。?）線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)的特點(diǎn)　　1）線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性只與其自身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，而與初始條件和外加輸入信號(hào)無(wú)關(guān)。對(duì)于線性定常系統(tǒng)，其穩(wěn)定性僅取決于特征方程的根在s平面的分布。　　非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性除了與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)外，還與初始條件和輸入信號(hào)有關(guān)。對(duì)于一個(gè)非線性系統(tǒng)，在不同的初始條件下，運(yùn)動(dòng)的最終狀態(tài)可能完全不一樣。也有可能在某種初始條件下是穩(wěn)定的，而在另一種條件下是不穩(wěn)定的?；蛘咴谀撤N輸入信號(hào)下是穩(wěn)定的，而在另一種輸入信號(hào)下是不穩(wěn)定的。所以，對(duì)于非線性系統(tǒng)只能判斷在某種條件下系統(tǒng)是否穩(wěn)定?！　?）對(duì)于線性系統(tǒng)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或收斂于平衡狀態(tài)或發(fā)散。只有處于臨界穩(wěn)定時(shí)才會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩。但在實(shí)際情況下，這種狀態(tài)是不能持久的?！　≡诜蔷€性系統(tǒng)中，也會(huì)出現(xiàn)具有一定振幅和頻率的振蕩。這種振蕩的頻率和振幅具有一定的固定性，稱為自激振蕩或稱自振蕩。改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以改變系統(tǒng)的自激振蕩的頻率和振幅?！　?）在線性系統(tǒng)中，當(dāng)輸入信號(hào)為正弦信號(hào)時(shí)，其輸出的穩(wěn)定分量是同頻率的正弦信號(hào)。輸入信號(hào)和穩(wěn)態(tài)輸出之間，僅在振幅和相位上有所不同，因此可以用頻率響應(yīng)來(lái)描述系統(tǒng)的固有特性?！　?duì)于非線性系統(tǒng)，如果輸入信號(hào)為某一頻率的正弦信號(hào)，其穩(wěn)定輸出一般不是同頻率的正弦信號(hào)，而是含有高次諧波分量的非正弦周期函數(shù)。因此不能直接應(yīng)用頻率特性、傳遞函數(shù)等線性系統(tǒng)常用的概念來(lái)分析和綜合非線性系統(tǒng)。

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