自動(dòng)控制原理

前言

自動(dòng)控制理論不僅是高等學(xué)校自動(dòng)化及其他電類專業(yè)的一門(mén)核心基礎(chǔ)理論課，而且在機(jī)械、化工等非電類工程專業(yè)的課程設(shè)置中也占有重要地位。特別是近年來(lái)，由于自動(dòng)控制技術(shù)在各行各業(yè)的廣泛滲透，其控制理論已逐漸成為高等學(xué)校許多學(xué)科共同的專業(yè)基礎(chǔ)，且越來(lái)越占有重要的位置。本教材是為適應(yīng)自動(dòng)化及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，拓寬專業(yè)面、優(yōu)化整體教學(xué)體系的教學(xué)改革形勢(shì)，按照“理論講透，重在應(yīng)用”的原則，總結(jié)了作者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和課程教學(xué)改革的成果，參考了國(guó)內(nèi)外自動(dòng)控制理論及應(yīng)用發(fā)展的方向，經(jīng)反復(fù)討論編寫(xiě)而成的。本書(shū)系統(tǒng)地論述了以下內(nèi)容。（1）自動(dòng)控制的基本概念及自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、基本控制方式、分類和基本要求。（2）控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，包括線性系統(tǒng)的微分方程、非線性系統(tǒng)微分方程的線性化、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖、信號(hào)流圖和MATLAB中數(shù)學(xué)模型的表示。（3）線性控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法，包括典型輸入信號(hào)、一階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)、二階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)、高階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和基于MATLAB的控制系統(tǒng)時(shí)域分析。（4）線性控制系統(tǒng)的復(fù)域分析法，包括常規(guī)根軌跡的繪制、廣義根軌跡的繪制、純遲延系統(tǒng)根軌跡的繪制、利用根軌跡分析控制系統(tǒng)和基于MATLAB的根軌跡分析。（5）線性控制系統(tǒng)的頻域分析法，包括典型環(huán)節(jié)的頻率特性、系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性、奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量、系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性、利用頻率特性對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分析和基于MATLAB的控制系統(tǒng)頻域分析。（6）線性控制系統(tǒng)的校正方法，包括校正裝置及其特性、頻率法串聯(lián)校正、根軌跡法串聯(lián)校正、反饋校正、復(fù)合校正和基于MATLAB的控制系統(tǒng)校正。（7）非線性控制系統(tǒng)的分析，包括常見(jiàn)非線性特性、相平面分析法、線性系統(tǒng)的相軌跡、非線性系統(tǒng)的相平面分析、描述函數(shù)法和基于MATLAB的非線性系統(tǒng)分析。（8）線性離散控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，包括采樣過(guò)程與采樣定理、采樣信號(hào)保持器、z變換、離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、離散系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、離散系統(tǒng)的校正和基于MATLAB的離散系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)。全書(shū)遵循由淺入深、循序漸進(jìn)的原則，各章選例和習(xí)題豐富，且均有用MATLAB/Simulink編寫(xiě)的仿真及解題實(shí)例，強(qiáng)調(diào)了理論與實(shí)際相結(jié)合。本教材由李國(guó)勇任主編，李虹任副主編。全書(shū)共包括8章和2個(gè)附錄，其中第1章由杜欣慧編寫(xiě)；第2章由李虹編寫(xiě)；第3章由李國(guó)勇和趙山川編寫(xiě)；第4章由李曄編寫(xiě)；第5章由郭紅戈編寫(xiě)；第6章由馬志芳編寫(xiě)；第7章由韓念琛編寫(xiě)；第8章由喬學(xué)工編寫(xiě)；其余部分由趙潤(rùn)章和呂青編寫(xiě)。全書(shū)由李國(guó)勇統(tǒng)稿。李嵐教授主審了全書(shū)，在此表示衷心的感謝。

內(nèi)容概要

本書(shū)全面闡述了經(jīng)典控制理論的基本概念、原理和自動(dòng)控制系統(tǒng)的各種分析方法。主要內(nèi)容包括：緒論、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、線性控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法、線性控制系統(tǒng)的復(fù)域分析法、線性控制系統(tǒng)的頻域分析法、線性控制系統(tǒng)的校正方法、非線性控制系統(tǒng)的分析、線性離散控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。該書(shū)取材先進(jìn)實(shí)用，講解深入淺出，各章選例和習(xí)題豐富，且均有用MATLAB/Simulink編寫(xiě)的仿真及解題實(shí)例，便于讀者自學(xué)。    本書(shū)可作為高等院校自動(dòng)化專業(yè)和電氣信息類其他專業(yè)的本科生教材，或作為其他相關(guān)專業(yè)的研究生和高年級(jí)本科生教材，也可作為從事自動(dòng)控制研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)人員的參考用書(shū)。

書(shū)籍目錄

第1章  緒論  1.1  自動(dòng)控制的基本概念  1.2  自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成  1.3  自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式  1.4  自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類  1.5  自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求  1.6  自動(dòng)控制理論的產(chǎn)生及其發(fā)展  小結(jié)  習(xí)題第2章  控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型  2.1  微分方程    2.1.1  微分方程的建立    2.1.2  微分方程的增量表示  2.2  非線性數(shù)學(xué)模型的線性化  2.3  傳遞函數(shù)    2.3.1  傳遞函數(shù)的定義    2.3.2  傳遞函數(shù)的常用形式    2.3.3  傳遞函數(shù)的特點(diǎn)    2.3.4  典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)  2.4  結(jié)構(gòu)圖    2.4.1  結(jié)構(gòu)圖的概念    2.4.2  結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化  2.5  信號(hào)流圖    2.5.1  信號(hào)流圖的概念    2.5.2  信號(hào)流圖的繪制    2.5.3  梅遜增益公式  2.6  利用MATLAB描述和求解系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型    2.6.1  利用MATLAB描述系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型    2.6.2  利用MATLAB實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型間的轉(zhuǎn)換    2.6.3  利用MATLAB化簡(jiǎn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型  小結(jié)  習(xí)題第3章  線性控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法  3.1  引言    3.1.1  典型輸入信號(hào)    3.1.2  系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)的形式    3.1.3  系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)的性能指標(biāo)  3.2  系統(tǒng)的穩(wěn)定性    3.2.1  穩(wěn)定性的基本概念    3.2.2  線性控制系統(tǒng)穩(wěn)定的條件    3.2.3  代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)    3.2.4  系統(tǒng)參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影晌    3.2.5  相對(duì)穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕量  3.3  系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)    3.3.1  一階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)    3.3.2  二階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)    3.3.3  高階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)  3.4  系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差    3.4.1  穩(wěn)態(tài)誤差的定義    3.4.2  靜態(tài)誤差系數(shù)法    3.4.3  動(dòng)態(tài)誤差系數(shù)法    3.4.4  給定信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)同時(shí)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差  3.5  基于MATLAB的控制系統(tǒng)時(shí)域分析    3.5.1  利用MATLAB分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性    3.5.2  利用MATLAB分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性    3.5.3  利用MATLAB計(jì)算系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差  小結(jié)  習(xí)題第4章  線性控制系統(tǒng)的復(fù)域分析法  4.1  引言    4.1.1  根軌跡的基本概念    4.1.2  根軌跡的基本條件  4.2  常規(guī)根軌跡的繪制    4.2.1  負(fù)反饋系統(tǒng)的根軌跡    4.2.2  正反饋系統(tǒng)的根軌跡  4.3  廣義根軌跡的繪制    4.3.1  單參數(shù)根軌跡    4.3.2  多參數(shù)根軌跡  4.4  純遲延根軌跡的繪制  4.5  利用根軌跡分析控制系統(tǒng)    4.5.1  利用根軌跡定性分析系統(tǒng)    4.5.2  利用根軌跡定量分析系統(tǒng)  4.6  利用MATLAB進(jìn)行根軌跡分析    4.6.1  繪制系統(tǒng)根軌跡和獲得根軌跡增益    4.6.2  繪制阻尼系數(shù)和自然頻率的柵格線  小結(jié)1  習(xí)題1第5章  線性控制系統(tǒng)的頻域分析法  5.1  引言    5.1.1  頻率特性的基本概念    5.1.2  頻率特性的表示方法  5.2  典型環(huán)節(jié)的頻率特性    5.2.1  比例環(huán)節(jié)    5.2.2  積分環(huán)節(jié)    5.2.3  微分環(huán)節(jié)    5.2.4  一階慣性環(huán)節(jié)    5.2.5  一階比例微分環(huán)節(jié)    5.2.6  二階振蕩環(huán)節(jié)    5.2.7  純遲后環(huán)節(jié)  5.3  系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性    5.3.1  開(kāi)環(huán)頻率特性的極坐標(biāo)圖    5.3.2  開(kāi)環(huán)頻率特性的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖    5.3.3  開(kāi)環(huán)頻率特性的對(duì)數(shù)幅相圖    5.3.4  最小相位系統(tǒng)  5.4  奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)    5.4.1  基本原理    5.4.2  奈奎斯特路徑及其映射    5.4.3  奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)    5.4.4  奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的推廣  5.5  控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量    5.5.1  穩(wěn)定裕量在極坐標(biāo)圖中的表示    5.5.2  穩(wěn)定裕量在對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中的表示    5.5.3  穩(wěn)定裕量在對(duì)數(shù)幅相圖中的表示  5.6  系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性    5.6.1  等M圓（等幅值軌跡和等N圓）（等相角軌跡）    5.6.2  利用等M圓和等N圓求系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性    5.6.3  利用尼科爾斯圖求系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性  5.7  利用頻率特性對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分析    5.7.1  系統(tǒng)頻域特性與穩(wěn)態(tài)性能的關(guān)系    5.7.2  系統(tǒng)頻域特性與時(shí)域性能的關(guān)系  5.8  基于MATLAB的控制系統(tǒng)頻域分析    5.8.1  利用MATLAB繪制Bode圖    5.8.2  利用MATLAB繪制Nyquist    5.8.3  利用MATLAB繪制Nichols圖    5.8.4  利用MATLAB計(jì)算系統(tǒng)的相角裕量和幅值裕量  小結(jié)5  習(xí)題5第6章  線性控制系統(tǒng)的校正方法  6.1  引言    6.1.1  性能指標(biāo)    6.1.2  校正方式  6.2  校正裝置及其特性    6.2.1  PID控制器    6.2.2  超前校正裝置    6.2.3  滯后校正裝置    6.2.4  滯后-超前校正裝置  6.3  頻率法串聯(lián)校正    6.3.1  頻率法的串聯(lián)超前校正    6.3.2  頻率法的串聯(lián)滯后校正    6.3.3  頻率法的串聯(lián)滯后-超前校正  6.4  根軌跡法串聯(lián)校正    6.4.1  根軌跡法的串聯(lián)超前校正    6.4.2  根軌跡法的串聯(lián)滯后校正    6.4.3  根軌跡法的串聯(lián)滯后-超前校正  6.5  反饋校正    6.5.1  反饋校正的原理    6.5.2  反饋校正的設(shè)計(jì)  6.6  復(fù)合校正    6.6.1  按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合校正    6.6.2  按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膹?fù)合校正  6.7  基于MATLAB的控制系統(tǒng)校正    6.7.1  利用MATLAB實(shí)現(xiàn)頻率法的串聯(lián)超前校正    6.7.2  利用MATLAB實(shí)現(xiàn)頻率法的串聯(lián)滯后校正    6.7.3  利用MATLAB實(shí)現(xiàn)頻率法的串聯(lián)滯后-超前校正  小結(jié)8  習(xí)題9第7章  非線性控制系統(tǒng)的分析  7.1  引言    7.1.1  非線性系統(tǒng)的特點(diǎn)    7.1.2  常見(jiàn)的非線性特性    7.1.3  非線性系統(tǒng)的分析方法  7.2  相平面分析法    7.2.1  概述    7.2.2  相軌跡圖的繪制    7.2.3  由相軌跡圖求系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)    7.2.4  控制系統(tǒng)的相平面分析  7.3  描述函數(shù)分析法    7.3.1  概述    7.3.2  典型非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)    7.3.3  非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法分析    7.3.4  非線性系統(tǒng)的簡(jiǎn)化  7.4  基于MATLAB的非線性系統(tǒng)分析    7.4.1  利用MATLAB求解非線性系統(tǒng)的線性化模型    7.4.2  基于MATLAB的相平面法分析非線性系統(tǒng)    7.4.3  基于MATLAB的描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)  小結(jié)  習(xí)題第8章  線性散控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)  8.l  引言    8.1.1  信號(hào)的采樣    8.1.2  信號(hào)的保持  8.2  z變換    8.2.1  z變換定義    8.2.2  z變換方法    8.2.3  z變換的基本定理    8.2.4  z反變換  8.3  離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型    8.3.1  差分方程    8.3.2  脈沖傳遞函數(shù)  8.4  離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析    8.4.1  離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定的條件    8.4.2  代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)  8.5  離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差    8.5.1  典型輸入信號(hào)下的穩(wěn)態(tài)誤差    8.5.2  擾動(dòng)信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差  8.6  離散控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能    8.6.1  離散系統(tǒng)的輸出響應(yīng)    8.6.2  閉環(huán)零點(diǎn)、極點(diǎn)分布對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)的影響    8.6.3  離散系統(tǒng)的根軌跡分析  8.7  離散控制系統(tǒng)的校正    8.7.1  采用伯德圖的方法    8.7.2  最少拍控制系統(tǒng)的校正  8.8  基于MATLAB的離散控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)    8.8.1  利用MATLAB實(shí)現(xiàn)z變換    8.8.2  利用MATLAB實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)的離散化    8.8.3  利用MATLAB分析離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性    8.8.4  利用MATLAB計(jì)算離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差    8.8.5  利用MATLAB分析離散系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性  小結(jié)  習(xí)題附錄A  拉普拉斯變換附錄B  習(xí)題參考答案參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：自動(dòng)控制理論由經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論組成，它的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。1.自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展人類發(fā)明具有“自動(dòng)”功能的裝置的歷史，可以追溯到公元前14到公元前11世紀(jì)，在中國(guó)、埃及和巴比倫出現(xiàn)的自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺。我國(guó)漢朝科學(xué)家張衡發(fā)明了渾天儀和地動(dòng)儀，把自動(dòng)控制思想應(yīng)用到了天文觀測(cè)儀器和地震觀測(cè)儀器。公元235年，我國(guó)發(fā)明了按開(kāi)環(huán)控制的自動(dòng)指示方向的指南車(chē)，它是確定方位儀器中利用自動(dòng)控制思想的成功事例。公元1086年左右，我國(guó)蘇頌等人發(fā)明了按閉環(huán)控制工作的具有“天衡”自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和報(bào)時(shí)機(jī)構(gòu)的水運(yùn)儀象臺(tái)，它是將用于天文觀測(cè)的渾天儀和用于天文演示的渾象儀及自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置結(jié)為一體的儀器。古埃及和古希臘出現(xiàn)了半自動(dòng)的簡(jiǎn)單機(jī)器，如教堂廟門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟裝置、自動(dòng)灑圣水的銅祭司、投幣式圣水箱和在教堂門(mén)口自動(dòng)嗚叫的青銅小鳥(niǎo)等自動(dòng)裝置，這些都是一些互不相關(guān)的原始的自動(dòng)裝置，是一些個(gè)別的發(fā)明。17世紀(jì)以后，隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，在歐洲出現(xiàn)了多種自動(dòng)裝置，其中包括，1642年法國(guó)物理學(xué)家帕斯卡發(fā)明了能自動(dòng)進(jìn)位的加法器；1657年荷蘭機(jī)械師惠更斯發(fā)明了鐘表；1745年英國(guó)機(jī)械師E.李發(fā)明了帶有風(fēng)向控制的風(fēng)磨，這種風(fēng)磨可以利用尾翼的調(diào)向作用使主翼對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向；1765年俄國(guó)機(jī)械師波爾祖諾夫發(fā)明了浮子閥門(mén)式水位調(diào)節(jié)器，可以自動(dòng)控制蒸汽鍋爐的水位。這一時(shí)期，自動(dòng)控制技術(shù)都是由于生產(chǎn)發(fā)展的需求而產(chǎn)生的。但比較自覺(jué)運(yùn)用反饋原理設(shè)計(jì)出來(lái)并得到成功應(yīng)用的是英國(guó)瓦特（J.Watt）于1788年發(fā)明的離心式節(jié)速器（也叫做飛球調(diào)速器），瓦特用它來(lái)控制蒸汽機(jī)的蒸汽閥門(mén)，構(gòu)成蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了離心式節(jié)速器對(duì)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。瓦特的這項(xiàng)發(fā)明促進(jìn)了近代自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的廣泛應(yīng)用，對(duì)由蒸汽機(jī)帶來(lái)的第一次工業(yè)革命及以后的控制理論的發(fā)展都有重要的影響。在其他國(guó)家的各種發(fā)明還有1854年俄國(guó)機(jī)械學(xué)家和電工學(xué)家康斯坦丁諾夫發(fā)明的電磁調(diào)速器。1868年法國(guó)工程師法爾科發(fā)明了反饋調(diào)節(jié)器，通過(guò)它來(lái)調(diào)節(jié)蒸汽閥，操縱蒸汽船的舵，這就是后來(lái)得到廣泛應(yīng)用的伺服機(jī)構(gòu)。在1868年以前，自動(dòng)化技術(shù)只是一些個(gè)別的發(fā)明和簡(jiǎn)單的應(yīng)用，所以把它叫做第一階段。在1868年之后，逐漸開(kāi)始了對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的理論分析和大規(guī)模的廣泛應(yīng)用，所以把它叫做第二階段。

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