自動控制原理實驗教程

前言

　　“自動控制”是一門理論性和實踐性都很強的專業(yè)基礎課，是自動化、電氣、儀表及檢測、機電、電子信息等工科類專業(yè)的必修課程。通過本門課程的學習使學生建立模型、系統(tǒng)和控制的概念，學會系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設計的方法?！　∵@門課程理論性較強，較抽象，學生學習掌握有一定的難度，因此實驗環(huán)節(jié)教學效果的好壞，對學生牢固掌握課堂理論知識，提高課程的教學質(zhì)量起著非常重要的作用。在目前普遍課時壓縮、教學要求提高的條件下，實驗課程需要解決以下幾個方面問題：如何通過實驗教學加深學生對課程中基本理論和基本概念的理解，提高學生理論聯(lián)系實際的能力；如何培養(yǎng)學生實踐動手能力，分析解決工業(yè)控制過程中實際問題的能力；如何在實驗教學中融入新的科技發(fā)展成果，培養(yǎng)利用現(xiàn)代化的實驗和仿真手段，迅速檢驗和實施新的控制理論和算法的能力。　　本書作者多年從事自動控制理論教學和實驗指導工作，結(jié)合最新的現(xiàn)代計算機仿真實驗手段，將控制系統(tǒng)理論知識靈活運用于實踐教學環(huán)節(jié)中，內(nèi)容豐富，層次分明，特色是理論與實驗及仿真緊密結(jié)合，互相對照，將自控原理若干重要知識點分解到若干實驗中去，使學生在完成實驗的過程中加深對理論知識的理解，鍛煉動手能力，以理論指導實踐，以實踐驗證基本理論、探索理論應用，旨在提高學生分析問題、解決問題的能力和建立系統(tǒng)控制觀念。同時通過實驗思考題等方式引導學生對相關(guān)理論問題進行較深入的思考?！　”緯M量避免對專用實驗設備和實驗場地的依賴，精心設計了16個控制理論實驗及2個課程設計，內(nèi)容兼顧經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。每個實驗都盡量提供了分立元件電路模擬和計算機軟件仿真等多種實現(xiàn)方法，詳細闡述了與實驗相關(guān)的理論知識，并給出實驗內(nèi)容、實驗要求與實驗思考題，但一般不限制具體的實驗步驟，方便師生根據(jù)本校的實際條件靈活選擇實驗方法，這些實驗涉及的大多是基本的控制理論知識，因此適用于各種版本的控制理論教材?！　”緯舌嵱?lián)沃骶帲瑓⒓泳帉懙倪€有徐繼寧、胡敦利、李艷杰。張若青、李志軍、閻紅娟等提出了寶貴建議和意見，研究生張紅、徐興虎、張路娟承擔了部分內(nèi)容的圖形繪制和程序調(diào)試工作，在此表示感謝。

內(nèi)容概要

本書密切配合“自動控制原理”課程的理論教學，結(jié)合現(xiàn)代先進的實驗教學方法，精心設計了16個控制理論實驗及2個課程設計，內(nèi)容兼顧經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。每個實驗都盡量提供了分立元件電路模擬和MATLAB軟件仿真等多種實現(xiàn)方法。為方便讀者，各實驗前均有相關(guān)理論的知識點小結(jié)，可以幫助讀者加強對實驗過程的理解，提高分析解決問題的能力。    本書可作為高等學校自動化、電氣類、機電類各專業(yè)自動控制原理實驗的指導書，也可作為其他相關(guān)理工科學生和工程技術(shù)人員的實踐參考書。

書籍目錄

緒論　自動控制理論實驗的實現(xiàn)方式實驗一　典型環(huán)節(jié)的特性分析實驗二　二階系統(tǒng)的階躍響應實驗三　線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析實驗四　線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析實驗五　線性系統(tǒng)的根軌跡法　實驗5.1　控制系統(tǒng)的根軌跡　實驗5.2　根軌跡校正　實驗5.3　線性定常系統(tǒng)仿真環(huán)境LTI Viewer實驗六　典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)頻率特性實驗實驗七　系統(tǒng)校正實驗八　PID控制實驗實驗九　典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性實驗十　非線性系統(tǒng)的相平面分析法實驗十一　非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法實驗十二　采樣系統(tǒng)分析實驗十三　數(shù)字PID控制實驗實驗十四　極點配置全狀態(tài)反饋控制實驗十五　狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器設計實驗十六　線性二次型最優(yōu)控制器設計課程設計一　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設計課程設計二　直線一級倒立擺控制系統(tǒng)課程設計參考文獻

章節(jié)摘錄

　　通過極點配置實現(xiàn)的系統(tǒng)設計，雖然可以使系統(tǒng)獲得滿足期望特性的特征方程，具有符合要求的系統(tǒng)極點，但是這種期望和要求的取得往往是工程上各個動、靜態(tài)指標折中的結(jié)果，而不是最優(yōu)的控制效果。工程中會有一類情況要求系統(tǒng)的某一性能指標達到最優(yōu)，比如從某一位置運動到另一位置時所用時間最短，或者在運動過程中消耗的能量最少、路徑誤差最小等等，這類問題就是所謂的最優(yōu)控制問題。最優(yōu)控制理論是現(xiàn)代控制理論的重要組成部分?！　∽顑?yōu)控制理論主要是依據(jù)龐德里亞金的極值原理，通過對性能指標的優(yōu)化尋找可以使目標函數(shù)值極小的控制器。其中如果其性能指標是狀態(tài)變量和（或）控制變量的二次型函數(shù)的積分，則這種動態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)化問題稱為線性系統(tǒng)二次型性能指標的最優(yōu)控制問題，線性二次型問題的最優(yōu)解可以寫成統(tǒng)一的解析表達式和實現(xiàn)求解過程的規(guī)范化，并可簡單地采用狀態(tài)線性反饋控制律構(gòu)成閉環(huán)最優(yōu)控制系統(tǒng)，能夠兼顧多項性能指標，因此得到特別的重視，成為現(xiàn)代控制理論中發(fā)展較為成熟的一部分。利用線性二次型性能指標設計的控制器稱作LQR（Linear Quadratic Regulator）控制器。

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