控制理論及其應(yīng)用

前言

　　隨著中國高等教育持續(xù)發(fā)展，研究生教育發(fā)生了很大變化，我國已經(jīng)迅速跨入了世界研究生教育大國的行列。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)用書是在對全國機(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”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。　　培養(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)立從一個領(lǐng)域進(jìn)入另一個領(lǐng)域的能力，以及解決問題的能力。知識是一個動態(tài)的集合：昨天的新知識，今天就可能變成一般的知識，明天也許就要變?yōu)樾枰右愿碌闹R。競爭迫使人們不斷更新自己的知識和進(jìn)入新的領(lǐng)域。任何人都不可能將他一生中解決問題需要用到的知識都在學(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。　　自我充實(shí)主要有三個途徑：瀏覽、讀書和實(shí)踐。在信息技術(shù)高度發(fā)展的時(shí)代，為一個名詞搜集幾萬條信息，往往只是幾秒鐘的事。因此，需要將瀏覽和讀書作為兩個不同的學(xué)習(xí)方法區(qū)分開來。瀏覽是遍歷廣泛的信息而可以不甚了了，讀書則不同，讀書是為了對所描述的領(lǐng)域進(jìn)行深入的了解。要了解一個領(lǐng)域，并且想進(jìn)入這個領(lǐng)域，最好的辦法就是先找一本這個領(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，那么最好一個一個地推導(dǎo)，如果有作業(yè)，最好一個一個做一遍。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)入一個領(lǐng)域的第二步，也是不可缺少的一步，就是實(shí)踐。一個人，不論他讀了多少書，如果沒有親自做過，他就不可能真正領(lǐng)會很多理論和方法的精髓。當(dāng)他要用讀到的知識去解決問題時(shí)，就會覺得沒有把握。另外，任何書都不可能完美無缺，經(jīng)過實(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，對于引領(lǐng)一個人進(jìn)入一個領(lǐng)域，是多么的重要。可惜現(xiàn)在這樣的好書太少了，按照這種要求來寫的書太少了。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，或者用對待查手冊的態(tài)度對待讀書。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)的評價(jià)和誤差分析與計(jì)算、自動控制系統(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)的組成及其研究內(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)的典型信號和典型環(huán)節(jié)3.1 系統(tǒng)的典型信號及其時(shí)間響應(yīng)分析3.1.1 系統(tǒng)的典型信號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 自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(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)（簡稱奈氏判據(jù)）4.2.4 對數(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)誤差和動態(tài)誤差計(jì)算6.2.1 靜態(tài)誤差6.2.2 動態(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 自動控制系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)7.1 校正問題的提出7.2 各設(shè)計(jì)參數(shù)對系統(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)床工作臺的位置控制系統(tǒng)分析8.2 機(jī)床工作臺的速度控制系統(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)定性對比分析9.4.1 無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)能觀測性13.1.5 對偶原理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標(biāo)準(zhǔn)形13.2 線性系統(tǒng)的狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器13.2.1 概述13.2.2 具有狀態(tài)反饋和輸出反饋系統(tǒng)的能控性與能觀測性13.2.3 極點(diǎn)配置問題13.2.4 狀態(tài)觀測器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 自動控制系統(tǒng)的分類　　任何事物的分類都是一個復(fù)雜的問題，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自動控制系統(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　　（1）線性系統(tǒng)　　線性系統(tǒng)指自動控制系統(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無關(guān)。對于線性定常系統(tǒng)，其穩(wěn)定性僅取決于特征方程的根在s平面的分布?！　》蔷€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有關(guān)。對于一個非線性系統(tǒng)，在不同的初始條件下，運(yùn)動的最終狀態(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輸入信號下是穩(wěn)定的，而在另一種輸入信號下是不穩(wěn)定的。所以，對于非線性系統(tǒng)只能判斷在某種條件下系統(tǒng)是否穩(wěn)定?！　?）對于線性系統(tǒng)，系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(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)輸入信號為正弦信號時(shí)，其輸出的穩(wěn)定分量是同頻率的正弦信號。輸入信號和穩(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)來描述系統(tǒng)的固有特性。　　對于非線性系統(tǒng)，如果輸入信號為某一頻率的正弦信號，其穩(wěn)定輸出一般不是同頻率的正弦信號，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)常用的概念來分析和綜合非線性系統(tǒng)。

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