自動(dòng)控制原理

前言

　　在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程中，自動(dòng)控制技術(shù)一直起著極其重要的作用。自動(dòng)控制理論作為一門涉及多學(xué)科的科學(xué)，已廣泛應(yīng)用到電氣、機(jī)械、化工、冶金、航空航天、核反應(yīng)等工程領(lǐng)域，并進(jìn)一步擴(kuò)展和滲透到生物、醫(yī)學(xué)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、金融和生命科學(xué)等工程領(lǐng)域以外的范圍。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，人類在過去的20世紀(jì)和已經(jīng)跨入的21世紀(jì)中，利用自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)和正在把許多夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)?！　∽詣?dòng)控制原理是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是一門理論性較強(qiáng)的工程科學(xué)。從20世紀(jì)40年代經(jīng)典控制理論體系建立至今，自動(dòng)控制技術(shù)一直是伴隨著生產(chǎn)實(shí)際的需要發(fā)展起來的，其理論也在實(shí)際應(yīng)用和與其他相關(guān)學(xué)科交叉滲透中日臻完善，并不斷發(fā)展和創(chuàng)新。隨著現(xiàn)代科學(xué)的日新月異，自動(dòng)控制理論已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的學(xué)科之一，其發(fā)展?jié)摿κ遣豢上蘖康??！　”緯饕菫楣た圃盒７亲詣?dòng)化專業(yè)本科生自動(dòng)控制理論教學(xué)和信息學(xué)科平臺(tái)課程的教學(xué)而編寫的教材，適合少學(xué)時(shí)數(shù)自動(dòng)控制原理教學(xué)需要，有關(guān)專業(yè)可根據(jù)實(shí)際情況選擇部分內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)?！　”緯饕榻B自動(dòng)控制理論的基本概念、基本原理和基本分析方法，全書共分7章。第1章給出了控制理論和控制系統(tǒng)的基本概念、定義、一般要求和控制理論的發(fā)展過程；第2章主要介紹線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，模型的表示方法；第3章對(duì)線性系統(tǒng)時(shí)域分析的基本方法進(jìn)行了闡述，主要討論了系統(tǒng)穩(wěn)定性、瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能分析，以及二階系統(tǒng)性能指標(biāo)和計(jì)算方法；第4章介紹線性系統(tǒng)頻率特性的概念和頻域分析方法，頻率特性的圖形表示以及頻域指標(biāo)的計(jì)算；第5章介紹線性系統(tǒng)校正的原理和方法，著重討論了PID控制器的設(shè)計(jì)及其在系統(tǒng)校正中的作用；第6章討論了離散系統(tǒng)的基本理論和分析方法；第7章介紹了現(xiàn)代控制理論的有關(guān)內(nèi)容，主要包括狀態(tài)空間模型的建立、系統(tǒng)的能控性和能觀性等?！　”敬涡抻営扇A中科技大學(xué)王敏教授和秦肖臻副教授完成。其中，1、3、4章由王敏編寫，2、5、6、7章由秦肖臻編寫，全書由王敏統(tǒng)稿?！　”緯鴥?nèi)容的電子文檔可為使用本教材的大專院校制作教學(xué)課件時(shí)提供參考，如有需要可與編者聯(lián)系。　　限于編者水平和時(shí)間，書中如有錯(cuò)誤和不妥之處，請(qǐng)讀者不吝指正。

內(nèi)容概要

　　《高等學(xué)校規(guī)劃教材·自動(dòng)控制原理（第2版）（非自動(dòng)化專業(yè)適用）》介紹了自動(dòng)控制原理的基本概念和方法，包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容，適合作為信息學(xué)科本科學(xué)生平臺(tái)課程教材和非自動(dòng)控制專業(yè)理工科學(xué)生的教材。全書共分7章，第1章緒論，引入控制系統(tǒng)的基本概念、定義、術(shù)語；第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，介紹連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域模型、復(fù)域模型、狀態(tài)空間描述；第3章線性系統(tǒng)的時(shí)域分析，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和穩(wěn)定性進(jìn)行分析的方法作了詳細(xì)的討論；第4章線性系統(tǒng)的頻域分析，介紹線性系統(tǒng)的頻率特性和頻域分析方法；第5章線性系統(tǒng)的校正，介紹線性系統(tǒng)校正的原理和方法，著重討論了PID控制器的設(shè)計(jì)及其在系統(tǒng)校正中的作用。第6章采樣系統(tǒng)分析，介紹了z變換、脈沖傳遞函數(shù)以及離散系統(tǒng)的分析方法；第7章狀態(tài)空間分析設(shè)計(jì)，討論了線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析和基本設(shè)計(jì)方法，各學(xué)?？筛鶕?jù)專業(yè)需要，選擇有關(guān)章節(jié)組織教學(xué)?！　　陡叩葘W(xué)校規(guī)劃教材·自動(dòng)控制原理（第2版）（非自動(dòng)化專業(yè)適用）》的特點(diǎn)是內(nèi)容精煉，重點(diǎn)突出，強(qiáng)調(diào)基本概念、基本原理的掌握與應(yīng)用，特別適合少學(xué)時(shí)數(shù)自動(dòng)控制原理教學(xué)的要求。

書籍目錄

1　緒論1.1　自動(dòng)控制的基本概念1.1.1　基本概念1.1.2　開環(huán)控制與閉環(huán)控制的實(shí)例1.2　自動(dòng)控制理論的發(fā)展1.2.1　經(jīng)典控制理論1.2.2　現(xiàn)代控制理論1.2.3　大系統(tǒng)理論1.2.4　智能控制1.3　控制系統(tǒng)的分類1.3.1　恒值系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)1.3.2　線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)1.3.3　連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)1.4　對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1.4.1　穩(wěn)定性1.4.2　動(dòng)態(tài)性能1.4.3　穩(wěn)態(tài)性能本章小結(jié)習(xí)題2　控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.1　基本概念2.1.1　數(shù)學(xué)模型2.1.2　控制系統(tǒng)2.2　時(shí)域模型——微分方程2.2.1　建立系統(tǒng)或元件微分方程的步驟2.2.2　典型系統(tǒng)的微分方程2.2.3　非線性方程線性化方法2.3　復(fù)域模型——傳遞函數(shù)2.3.1　傳遞函數(shù)的定義2.3.2　傳遞函數(shù)的性質(zhì)和物理意義2.3.3　典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)2.3.4　傳遞函數(shù)的表示方式和術(shù)語2.4　控制系統(tǒng)方塊圖2.4.1　方塊圖簡介2.4.2　方塊圖的化筒2.4.3　閉環(huán)系統(tǒng)的方塊圖和傳遞函數(shù)2.5　狀態(tài)空間模型2.5.1　狀態(tài)變量表達(dá)式相關(guān)概念2.5.2　由微分方程建立狀態(tài)變量表達(dá)式2.5.3　狀態(tài)變量表達(dá)式和傳遞函數(shù)的關(guān)系本章小結(jié)習(xí)題3　線性系統(tǒng)的時(shí)域分析3.1　系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析3.1.1　穩(wěn)定的概念3.1.2　穩(wěn)定的充要條件3.1.3　勞斯穩(wěn)定判據(jù)3.2　二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析3.2.1　典型輸入信號(hào)3.2.2　動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)3.2.3　二階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)3.2.4　高階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)3.3　系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析3.3.1　穩(wěn)態(tài)誤差的定義3.3.2　輸入信號(hào)作用下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差3.3.3　擾動(dòng)信號(hào)作用時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差本章小結(jié)習(xí)題4　線性系統(tǒng)的頻域分析4.1　線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)4.2　頻率特性的圖形表示4.2.1　幅相頻率特性曲線4.2.2　對(duì)數(shù)頻率特性曲線4.3　奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)4.3.1　奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)4.3.2　奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)4.4　控制系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性4.4.1　相對(duì)穩(wěn)定性4.4.2　穩(wěn)定裕度的求取4.5　頻域響應(yīng)分析4.5.1　頻率性能指標(biāo)4.5.2　頻域指標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系本章小結(jié)習(xí)題5　線性系統(tǒng)的校正……6　采樣系統(tǒng)分析7　狀態(tài)空間分析設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　智能控制的任務(wù)在于對(duì)實(shí)際環(huán)境或過程進(jìn)行組織，即決策和規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)廣義問題的求解。這些問題的求解過程與人腦的思維程度具有一定的相似性，即具有不同程度的智能。一般認(rèn)為，智能控制的方法包括學(xué)習(xí)控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制等?！　￠L期以來，自動(dòng)控制科學(xué)已對(duì)整個(gè)科學(xué)技術(shù)的理論和實(shí)踐作出了重要貢獻(xiàn)，為人類社會(huì)帶來了巨大利益。隨著社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，必將對(duì)控制學(xué)科提出更高的要求，自動(dòng)控制既面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)又存在良好的發(fā)展機(jī)遇，為解決這一問題，一方面需要推進(jìn)硬件、軟件和智能的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化；另一方面要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)以及人工智能的結(jié)合，為自動(dòng)控制提供新思想、新方法和新技術(shù)，創(chuàng)立邊緣新學(xué)科，推動(dòng)自動(dòng)控制的發(fā)展。　　1.3 控制系統(tǒng)的分類　　自動(dòng)控制系統(tǒng)有很多分類的方法，如按照系統(tǒng)的控制方式分類，可將系統(tǒng)分為開環(huán)控制與閉環(huán)控制系統(tǒng)；按照信號(hào)的連接特點(diǎn)分類，可分為反饋控制、前饋控制以及含有反饋和前饋的復(fù)合控制系統(tǒng)；按系統(tǒng)功用可分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)……；按系統(tǒng)的性能可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)、確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)等。幾種常見的分類描述如下?！　?.3.1 恒值系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)　　按輸入信號(hào)的形式可將系統(tǒng)分為恒值系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)。恒值系統(tǒng)是指參考輸入量保持常值的系統(tǒng)。其任務(wù)是消除或減少擾動(dòng)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，使被控制量（即系統(tǒng)的輸出量）保持在給定或希望的數(shù)值上。如工業(yè)控制中的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和位置控制系統(tǒng)等。隨動(dòng)系統(tǒng)是指參考輸入量隨時(shí)間任意變化的系統(tǒng)。其任務(wù)是要求輸出量以一定的精度和速度跟蹤參考輸入量，跟蹤的速度和精度是隨動(dòng)系統(tǒng)的兩項(xiàng)主要性能指標(biāo)?！　?.3.2 線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)　　按組成系統(tǒng)的元件特性可將系統(tǒng)分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)是指構(gòu)成系統(tǒng)的所有元件都是線性元件的系統(tǒng)。其動(dòng)態(tài)性能可用線性微分方程描述，系統(tǒng)滿足疊加原理。非線性系統(tǒng)是指構(gòu)成系統(tǒng)的元件中含有非線性元件的系統(tǒng)，它只能用非線性微分方程描述，不滿足疊加原理。實(shí)際中，理想的線性系統(tǒng)是不存在的，構(gòu)成系統(tǒng)的元件中總會(huì)或多或少含有非線性特性，如果系統(tǒng)的這種非線性特性在一定條件下，或在一定范圍內(nèi)呈線性特性，則可將它們進(jìn)行線性化處理，這類系統(tǒng)或元件的特性稱為非本質(zhì)非線性特性。反之，稱之為本質(zhì)i非線性，只能用非線性理論進(jìn)行分析研究。

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