自動控制理論

前言

本書為普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材。根據(jù)教育部高等學校自動化專業(yè)教學指導(dǎo)分委員會制定的《普通高等學校自動化專業(yè)規(guī)范》中關(guān)于“自動控制理論”課程的知識點要求，本書系統(tǒng)全面地介紹了經(jīng)典控制理論，主要內(nèi)容包括連續(xù)時間系統(tǒng)的建模方法；線性定常系統(tǒng)的時域分析法、根軌跡分析法、頻域分析法；線性定常系統(tǒng)的校正方法；、離散時間系統(tǒng)的建模、分析和校正方法；非線性系統(tǒng)的分析方法等。在已知系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，本書對系統(tǒng)穩(wěn)定性、瞬態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和抗干擾性能等進行了詳細分析，針對系統(tǒng)要求的性能指標，介紹了基于根軌跡的校正方法和基于頻率特性的校正方法?？紤]到工程實際中存在的延遲現(xiàn)象，書中用一定的篇幅介紹了延遲系統(tǒng)的分析和校正。本書在內(nèi)容上注意與《現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)》（王孝武主編）一書的銜接，可與該書配套使用。在編寫方法上，本書從實例出發(fā)，引出問題，進而分析問題，解決問題。書中內(nèi)容的闡述循序漸進，富有啟發(fā)性，論證與實例配合緊密，并注意各章節(jié)之間的呼應(yīng)，可讀性強，便于自學?？紤]到MATLAB編程語言已有專門課程介紹，本書直接應(yīng)用MATLAB編程語言進行系統(tǒng)的模型描述、性能分析和校正設(shè)計。本書可作為自動化、電氣工程及其自動化、計算機科學與技術(shù)、電子信息工程、測控等專業(yè)本科生教材，也可供從事這些領(lǐng)域的工程技術(shù)人員參考。本書由合肥工業(yè)大學王孝武教授、方敏教授、葛鎖良副教授合編，王孝武編寫第1、4章，方敏編寫第2、6、7章，葛鎖良編寫第3、5、8章。本書由上海交通大學田作華教授、中國科技大學李嗣福教授主審，他們對本書作了嚴謹、認真的審閱，提出了許多寶貴的意見，在此謹向他們表示衷心的感謝。本書得到全國高等學校電氣工程與自動化系列教材編審委員會的關(guān)心和幫助，得到機械工業(yè)出版社和合肥工業(yè)大學的大力支持和資助，在此一并致謝。在編寫本書時，參考了一些專家、教授的專著和教材，在本書完稿之際，向他們致以衷心的感謝。由于編者水平有限，書中的不妥和錯誤之處懇請指正。

內(nèi)容概要

本書為普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材。本　　書系統(tǒng)地介紹了經(jīng)典控制理論的基本理論和基本方法，包括控制系統(tǒng)建模、線性定常連續(xù)系統(tǒng)的時域分析法、根軌跡法和頻域分析法；利用頻率法和根軌跡法進行系統(tǒng)校正，以達到期望的性能。書中同時較詳細地介紹了線性定常離散控制系統(tǒng)的建模、系統(tǒng)分析和校正的基本理論和方法。對于非線性系統(tǒng)，介紹了應(yīng)用相平面法和描述函數(shù)法分析系統(tǒng)性能以及常用的改進控制系統(tǒng)性能的基本方法?！　”緯膬?nèi)容闡述循序漸進，富有啟發(fā)性；論證與實例配合緊密；注意各章節(jié)之間內(nèi)容的銜接，可讀性強，便于自學；重視理論聯(lián)系實際，各章配有MATLAB仿真實例。本書配有電子教案，歡迎選用本書的老師索取。郵箱：wangyaxin1993@sohu.com。　　本書可作為自動化、電氣工程及其自動化、計算機科學與技術(shù)、電子信息工程、測控技術(shù)等專業(yè)本科生教材，也可供從事這些領(lǐng)域的工程技術(shù)人員參考。

作者簡介

王孝武，1935年11月出生。教授。1961年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學電機系工業(yè)自動化專業(yè)，1961年7月起在合肥工業(yè)大學電氣工程系任教，從事控制理論與系統(tǒng)的教學與科研工作。主持、參加15項科研，其中“大型冷凍站制冷控制仿真系統(tǒng)”獲安徽省科技進步二等獎。在國內(nèi)外發(fā)表學術(shù)論

書籍目錄

序前言第1章　緒論  1.1  自動控制與自動控制系統(tǒng)  1.2　自動控制系統(tǒng)    1.2.1  自動控制系統(tǒng)的組成    1.2.2　自動控制系統(tǒng)的原理框圖    1.2.3　原理框圖上的術(shù)語    1.2.4  自動控制系統(tǒng)原理框圖的繪制  1.3  自動控制的基本方式  1.4　自動控制系統(tǒng)的分類  1.5　對自動控制系統(tǒng)的要求  1.6　自動控制系統(tǒng)與控制理論  1.7　自動控制理論發(fā)展概況  1.8　本課程的基本任務(wù)  小結(jié)  習題第2章　控制系統(tǒng)的數(shù)學模型  2.1  引言  2.2　控制系統(tǒng)的微分方程    2.2.1　動態(tài)系統(tǒng)微分方程的建立    2.2.2　非線性微分方程的線性化    2.2.3　用拉普拉斯變換求解線性常系數(shù)微分方程  2.3　線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)    2.3.1　傳遞函數(shù)的定義    2.3.2　傳遞函數(shù)的一般形式    2.3.3　關(guān)于傳遞函數(shù)的幾點說明    2.3.4　典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)    2.3.5　控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)  2.4　控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖    2.4.1　結(jié)構(gòu)圖的組成    2.4.2　結(jié)構(gòu)圖的繪制    2.4.3　結(jié)構(gòu)圖的等效變換  2.5　控制系統(tǒng)的信號流圖　  2.5.1　信號流圖的概念  　2.5.2　信號流圖的繪制  　  2.5.3　信號流圖的等效變換  　2.5.4　梅遜增益公式　2.6　閉環(huán)控制系統(tǒng)中幾個常用的傳遞函數(shù)概念　2.7　應(yīng)用MATLAB建立控制系統(tǒng)模型  小結(jié)  習題第3章　控制系統(tǒng)的時域分析  3.1  引言　  3.1.1　典型初始狀態(tài)  　3.1.2　典型輸入信號　  3.1.3　典型時間響應(yīng)  　3.1.4　性能指標　3.2　一階系統(tǒng)的時域分析　  3.2.1　一階系統(tǒng)的數(shù)學模型  　3.2.2　一階系統(tǒng)的響應(yīng)  　3.3　二階系統(tǒng)的時域分析　  3.3.1　二階系統(tǒng)的數(shù)學模型  　3.3.2　二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)　  3.3.3　二階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)  　3.3.4　二階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)　  3.3.5　二階系統(tǒng)瞬態(tài)性能的改善  　3.3.6　非零初始條件下二階系統(tǒng)的響應(yīng)　3.4　高階系統(tǒng)的時域分析  　3.4.1　高階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)  　3.4.2　閉環(huán)主導(dǎo)極點和偶極子  　3.4.3　高階系統(tǒng)瞬態(tài)性能估算　3.5　線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析  　3.5.1　穩(wěn)定的基本概念　  3.5.2　線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的數(shù)學條件　  3.5.3　穩(wěn)定判據(jù)　……第4章　根軌跡法第5章　控制系統(tǒng)的頻域分析第6章　線性系統(tǒng)的校正第7章　線性離散控制系統(tǒng)第8章　非線性控制系統(tǒng)參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 緒論1.1 自動控制與自動控制系統(tǒng)在國民經(jīng)濟各部門中，自動控制起著十分重要的作用。它不僅可以提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動條件，而且在人類開發(fā)利用自然資源和改善人民物質(zhì)生活等方面都起著極為重要的作用。特別是在導(dǎo)彈制導(dǎo)、正確命中目標，宇宙飛船能夠按照預(yù)定的軌道運行并安全返回地面等方面，不采用自動控制是不可能實現(xiàn)的。因此，自動控制是實現(xiàn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學技術(shù)和國防現(xiàn)代化的重要技術(shù)手段，已被列為當今最有前途的領(lǐng)域之一，它的發(fā)展和應(yīng)用是無可限量的。什么是自動控制呢？從字面上講，控制是使被控對象具有某種狀態(tài)或具有要求的性能。而自動控制，就是在不需要人直接參與的情況下，控制被控對象，使之達到預(yù)定狀態(tài)或所要求的性能。所謂被控對象，是指由一些機器零件有機組合在一起、完成一個（些）特定的運動規(guī)律或?qū)崿F(xiàn)所要求任務(wù)的設(shè)備或裝置。例如機床、雷達天線、加熱爐、宇宙飛船等等。被控對象也可以是一個過程，是由一系列逐漸變化、以相對固定的規(guī)律發(fā)生、發(fā)展，最后導(dǎo)致一個特定的結(jié)果或狀態(tài)。如化工過程、生物學過程或社會經(jīng)濟領(lǐng)域。通過控制，使它們達到預(yù)定的狀態(tài)和（或）所要求的性能。對被控對象實施控制的裝置稱為控制裝置或稱為控制器?？刂破魍ǔＪ怯梢恍┰?、部件組成的?？刂破髋c被控對象構(gòu)成的整體稱為自動控制系統(tǒng)。一般地說，系統(tǒng)是指由一些相互制約的部件組成的完成一定任務(wù)或具有一定功能的整體。而自動控制系統(tǒng)則指具有自動控制功能的系統(tǒng)。下面舉例說明自動控制系統(tǒng)的組成和工作原理。

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