自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教程

前言

　　“自動(dòng)控制”是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是自動(dòng)化、電氣、儀表及檢測(cè)、機(jī)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(xué)習(xí)使學(xué)生建立模型、系統(tǒng)和控制的概念，學(xué)會(huì)系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法?！　∵@門課程理論性較強(qiáng)，較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)掌握有一定的難度，因此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)效果的好壞，對(duì)學(xué)生牢固掌握課堂理論知識(shí)，提高課程的教學(xué)質(zhì)量起著非常重要的作用。在目前普遍課時(shí)壓縮、教學(xué)要求提高的條件下，實(shí)驗(yàn)課程需要解決以下幾個(gè)方面問題：如何通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)加深學(xué)生對(duì)課程中基本理論和基本概念的理解，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力；如何培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，分析解決工業(yè)控制過程中實(shí)際問題的能力；如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入新的科技發(fā)展成果，培養(yǎng)利用現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)和仿真手段，迅速檢驗(yàn)和實(shí)施新的控制理論和算法的能力?！　”緯髡叨嗄陱氖伦詣?dòng)控制理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)工作，結(jié)合最新的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)手段，將控制系統(tǒng)理論知識(shí)靈活運(yùn)用于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，內(nèi)容豐富，層次分明，特色是理論與實(shí)驗(yàn)及仿真緊密結(jié)合，互相對(duì)照，將自控原理若干重要知識(shí)點(diǎn)分解到若干實(shí)驗(yàn)中去，使學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的過程中加深對(duì)理論知識(shí)的理解，鍛煉動(dòng)手能力，以理論指導(dǎo)實(shí)踐，以實(shí)踐驗(yàn)證基本理論、探索理論應(yīng)用，旨在提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力和建立系統(tǒng)控制觀念。同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)思考題等方式引導(dǎo)學(xué)生對(duì)相關(guān)理論問題進(jìn)行較深入的思考?！　”緯M量避免對(duì)專用實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的依賴，精心設(shè)計(jì)了16個(gè)控制理論實(shí)驗(yàn)及2個(gè)課程設(shè)計(jì)，內(nèi)容兼顧經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都盡量提供了分立元件電路模擬和計(jì)算機(jī)軟件仿真等多種實(shí)現(xiàn)方法，詳細(xì)闡述了與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論知識(shí)，并給出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)要求與實(shí)驗(yàn)思考題，但一般不限制具體的實(shí)驗(yàn)步驟，方便師生根據(jù)本校的實(shí)際條件靈活選擇實(shí)驗(yàn)方法，這些實(shí)驗(yàn)涉及的大多是基本的控制理論知識(shí)，因此適用于各種版本的控制理論教材?！　”緯舌嵱?lián)沃骶?，參加編寫的還有徐繼寧、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(dān)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(dòng)控制原理”課程的理論教學(xué)，結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，精心設(shè)計(jì)了16個(gè)控制理論實(shí)驗(yàn)及2個(gè)課程設(shè)計(jì)，內(nèi)容兼顧經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都盡量提供了分立元件電路模擬和MATLAB軟件仿真等多種實(shí)現(xiàn)方法。為方便讀者，各實(shí)驗(yàn)前均有相關(guān)理論的知識(shí)點(diǎn)小結(jié)，可以幫助讀者加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的理解，提高分析解決問題的能力。    本書可作為高等學(xué)校自動(dòng)化、電氣類、機(jī)電類各專業(yè)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)書，也可作為其他相關(guān)理工科學(xué)生和工程技術(shù)人員的實(shí)踐參考書。

書籍目錄

緒論　自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方式實(shí)驗(yàn)一　典型環(huán)節(jié)的特性分析實(shí)驗(yàn)二　二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)三　線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn)四　線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析實(shí)驗(yàn)五　線性系統(tǒng)的根軌跡法　實(shí)驗(yàn)5.1　控制系統(tǒng)的根軌跡　實(shí)驗(yàn)5.2　根軌跡校正　實(shí)驗(yàn)5.3　線性定常系統(tǒng)仿真環(huán)境LTI Viewer實(shí)驗(yàn)六　典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)頻率特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)七　系統(tǒng)校正實(shí)驗(yàn)八　PID控制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)九　典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)十　非線性系統(tǒng)的相平面分析法實(shí)驗(yàn)十一　非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法實(shí)驗(yàn)十二　采樣系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)十三　數(shù)字PID控制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)十四　極點(diǎn)配置全狀態(tài)反饋控制實(shí)驗(yàn)十五　狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)十六　線性二次型最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)一　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)二　直線一級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　通過極點(diǎn)配置實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(diǎn)，但是這種期望和要求的取得往往是工程上各個(gè)動(dòng)、靜態(tài)指標(biāo)折中的結(jié)果，而不是最優(yōu)的控制效果。工程中會(huì)有一類情況要求系統(tǒng)的某一性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，比如從某一位置運(yùn)動(dòng)到另一位置時(shí)所用時(shí)間最短，或者在運(yùn)動(dòng)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。　　最優(yōu)控制理論主要是依據(jù)龐德里亞金的極值原理，通過對(duì)性能指標(biāo)的優(yōu)化尋找可以使目標(biāo)函數(shù)值極小的控制器。其中如果其性能指標(biāo)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(dòng)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(biāo)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(dá)式和實(shí)現(xiàn)求解過程的規(guī)范化，并可簡(jiǎn)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(xiàng)性能指標(biāo)，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(biāo)設(shè)計(jì)的控制器稱作LQR（Linear Quadratic Regulator）控制器。

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