自動控制原理

出版時間:2008-2  出版社:清華大學出版社  作者:李玉惠,晉帆 主編  頁數(shù):220  

前言

自動控制技術廣泛應用于工農業(yè)生產、交通運輸和國防建設的各個領域,并在科學技術現(xiàn)代化的發(fā)展與創(chuàng)新過程中發(fā)揮著越來越重要的作用?!白詣涌刂圃怼辈粌H是自動化相關專業(yè)的一門專業(yè)基礎課,而且在機械化工、農工等非電類工程專業(yè)的課程設置中也占有重要地位,計算機生物和經濟類專業(yè)的學生中也有人選修這一課程。本書作為自動化專業(yè)本科教材,系統(tǒng)地講述了關于自動控制系統(tǒng)建模、分析與設計的基本理論和方法。我們在編寫中注意突出以下幾個方面: 1. 注重基本理論與基本概念的闡述。通過嚴謹?shù)臄?shù)學推導得出清晰的物理概念,并應用數(shù)學工具分析工程中的實際系統(tǒng); 力求深入淺出和突出重點,使學習者能夠基于厚實的理論而非止步于復雜的數(shù)學過程,進一步學習有關專門文獻和控制理論。2. 注重適用性。教材中除有大量的電類系統(tǒng)實例外,同時考慮了一些機械、化工等非電類系統(tǒng)的內容。3. 注重啟發(fā)性。承上啟下提出問題,引導學習者思考解決問題的思路,培養(yǎng)學習者主動學習與創(chuàng)新能力。4. 便于自主學習。內容編排按照系統(tǒng)建模→分析→設計的路線,清晰地展示自動控制理論框架與內容,方便學習者自主學習與參考。5. 注重綜合運用能力。強調了綜合運用知識對系統(tǒng)進行綜合分析與設計的訓練。本書的課程安排約為80學時,本書內容安排如下: 第1、2章講述自動控制系統(tǒng)的基本概念和物理系統(tǒng)的數(shù)學模型。第3-5章講述控制系統(tǒng)的時域分析法、根軌跡分析法和頻域分析法。第6章講述控制系統(tǒng)設計和校正的概念與方法。第7章講述線性離散系統(tǒng)的理論基礎,重點是離散系統(tǒng)的數(shù)學描述。第8章講述非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)和相平面分析法。本書在內容編寫風格上,從貼近學習者的角度,嘗試用較輕松活潑的語言啟發(fā)專業(yè)問題和引出解決思路,并對每章的主要內容給出了思考題,使學習者能夠較容易接受和建立單變量控制系統(tǒng)的理論框架,進而較快地掌握單變量控制系統(tǒng)的分析與設計。本書是在編者教學團隊多年教學實踐與經驗積累基礎上,參考多種相關教材集體編寫的。配有《自動控制原理習題集》,以幫助學習者更好地學習和掌握書中有關自動控制系統(tǒng)的基本理論、基本方法和基本計算。本書由李玉惠、晉帆主編,向鳳紅主審。第1、5、6章由李玉惠執(zhí)筆,第2、3章由晉帆執(zhí)筆,第4章由薛潔執(zhí)筆,第7章由張光輝執(zhí)筆,第8章由周建華執(zhí)筆。編寫中參考了很多優(yōu)秀教材和習題集,編者向收錄于參考文獻中的各位作者表示誠摯的謝意。本書的編寫和出版得到清華大學出版社和昆明理工大學精品課程項目的大力支持與資助。在此表以誠摯的謝意!書中不當之處,敬請讀者批評指正。

內容概要

本書系統(tǒng)地介紹了研究單變量控制系統(tǒng)的基本理論、基本方法和丁程應用的基本計算要點。主要內容包括線性連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的時域、復域和頻域理論,以及離散系統(tǒng)的理論基礎和非線性系統(tǒng)的一般分析法。全書共分8章:第1章講述自動控制系統(tǒng)的基本概念,第2章講述自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型與建模方法,第3~5章講述控制系統(tǒng)的時域分析法、根軌跡分析法和頻域分析法,第6章講述控制系統(tǒng)設計和校正的概念與方法,第7章講述線性離散系統(tǒng)的理論基礎,第8章講述非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)和相平面分析法。    本書在編寫風格上,從貼近學習者的角度,嘗試用較輕松活潑的語言講述專業(yè)問題和引出解決思路。    本書適合作為高等院校電類和非電類相關專業(yè)本科生的教材.可供有關工程技術人員自學和參考。

書籍目錄

第1章  自動控制系統(tǒng)的基本概念  1.1  引言    1.1.1  自動控制的自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)    1.1.2  自動控制理論發(fā)展簡史    1.1.3  自動控制中的常用術語  1.2  開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)    1.2.1  開環(huán)控制系統(tǒng)    1.2.2  閉環(huán)控制系統(tǒng)    1.2.3  復合控制系統(tǒng)  1.3  自動控制系統(tǒng)的基本構成  1.4  自動控制系統(tǒng)的分類和應用  1.5  對自動控制系統(tǒng)的基本要求  思考題與習題第2章  自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型  2.1  建立動態(tài)微分方程的一般方法  2.2  非線性系統(tǒng)微分方程模型的線性化  2.3  傳遞函數(shù)    2.3.1  拉普拉斯變換    2.3.2  傳遞函數(shù)    2.3.3  典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)  2.4  系統(tǒng)動態(tài)結構圖    2.4.1  結構圖的基本概念    2.4.2  結構圖的組成和建立    2.4.3  結構圖的等效變換  2.5  自動控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)    2.5.1  系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)    2.5.2  閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)    2.5.3  閉環(huán)系統(tǒng)的偏差傳遞函數(shù)  2.6  信號流圖    2.6.1  信號流圖采用的符號及術語    2.6.2  信號流圖的等效變換法則    2.6.3  梅遜增益公式  思考題與習題第3章  線性系統(tǒng)的時域分析  3.1  自動控制系統(tǒng)時域響應的基本概念  3.2  自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)    3.2.1  自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性    3.2.2  勞斯一胡維茨判據(jù)  3.3  一階系統(tǒng)的階躍響應  3.4  二階系統(tǒng)的階躍響應  3.5  二階系統(tǒng)的時域指標    3.5.1  時域指標及其計算    3.5.2  具有零點的二階系統(tǒng)  3.6  高階系統(tǒng)    3.6.1  高階系統(tǒng)的時域分析    3.6.2  主導極點和主導極點法  3.7  誤差分析    3.7.1  穩(wěn)態(tài)誤差的概念    3.7.2  穩(wěn)態(tài)誤差的計算    3.7.3  動態(tài)誤差系數(shù)    3.7.4  減小穩(wěn)態(tài)誤差的方法  思考題與習題第4章  根軌跡分析法  4.1  根軌跡的基本概念  4.2  繪制根軌跡的基本條件和規(guī)則    4.2.1  根軌跡方程    4.2.2  繪制根軌跡的基本規(guī)則  4.3  特殊根軌跡    4.3.1  參數(shù)根軌跡    4.3.2  正反饋系統(tǒng)根軌跡    4.3.3  具有純滯后環(huán)節(jié)系統(tǒng)的根軌跡  4.4  用根軌跡法分析系統(tǒng)性能    4.4.1  閉環(huán)極點的位置與系統(tǒng)性能的關系    4.4.2  增加開環(huán)零、極點對系統(tǒng)性能的影響  思考題與習題第5章  頻域分析法  5.1  頻率特性及其表示法    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)的頻率特性    5.2.2  慣性環(huán)節(jié)的頻率特性    5.2.3  積分環(huán)節(jié)的頻率特性    5.2.4  微分環(huán)節(jié)的頻率特性    5.2.5  振蕩環(huán)節(jié)的頻率特性    5.2.6  時滯環(huán)節(jié)    5.2.7  最小相位與非最小相位環(huán)節(jié)  5.3  系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的繪制    5.3.1  系統(tǒng)的開環(huán)幅相頻率特性    5.3.2  系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性  5.4  用頻率特性分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性    5.4.1  控制系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)    5.4.2  應用開環(huán)幅相頻率特性判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性    5.4.3  應用系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性    5.4.4  奈氏穩(wěn)定判據(jù)應用舉例    5.4.5  頻率域中描述系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量  5.5  系統(tǒng)瞬態(tài)特性和開環(huán)頻率特性的關系    5.5.1  開環(huán)對數(shù)頻率特性的基本性質    5.5.2  系統(tǒng)瞬態(tài)特性和開環(huán)頻率特性的關系  5.6  閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性    5.6.1  閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性與開環(huán)系統(tǒng)頻率特性的關系    5.6.2  閉環(huán)系統(tǒng)等M、等θ圓及尼氏圖    5.6.3  非單位反饋系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性  5.7  系統(tǒng)瞬態(tài)特性和閉環(huán)頻率特性的關系    5.7.1  諧振峰值Mp和超調量δ%之間的關系    5.7.2  諧振峰值Mp和調整時間ts的關系    5.7.3  頻帶寬BW和ξ之間的關系  思考題與習題第6章  控制系統(tǒng)的設計  6.1  引言    6.1.1  設計要求    6.1.2  性能指標    6.1.3  校正方式  6.2  系統(tǒng)校正的根軌跡法    6.2.1  超前校正    6.2.2  滯后校正  6.3  系統(tǒng)校正的頻率響應法    6.3.1  串聯(lián)超前校正    6.3.2  串聯(lián)滯后校正    6.3.3  串聯(lián)滯后超前校正  6.4  反饋校正  思考題與習題第7章  線性離散系統(tǒng)的理論基礎  7.1  采樣控制系統(tǒng)的基本概念  7.2  信號的采樣和保持    7.2.1  采樣過程及采樣函數(shù)的數(shù)學表達式    7.2.2  采樣定理    7.2.3  信號的保持  7.3  Z變換    7.3.1  Z變換    7.3.2  Z反變換    7.3.3  差分方程  7.4  脈沖傳遞函數(shù)    7.4.1  脈沖傳遞函數(shù)的定義    7.4.2  開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)    7.4.3  閉環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)  7.5  采樣控制系統(tǒng)的時域分析    7.5.1  采樣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析    7.5.2  采樣控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析    7.5.3  采樣控制系統(tǒng)的瞬態(tài)特性分析  思考題與習題第8章  非線性系統(tǒng)  8.1  非線性系統(tǒng)的特點  8.2  典型非線性特性    8.2.1  飽和特性    8.2.2  間隙特性    8.2.3  死區(qū)特性    8.2.4  繼電特性    8.2.5  變放大系數(shù)特性  8.3  描述函數(shù)法基礎    8.3.1  典型非線性特性的描述函數(shù)    8.3.2  組合非線性特性的描述函數(shù)  8.4  非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法分析    8.4.1  描述函數(shù)法的應用條件    8.4.2  非線性系統(tǒng)結構圖的簡化    8.4.3  非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性及自振分析  8.5  相平面法基礎    8.5.1  相平面、相軌跡及相平面圖    8.5.2  相軌跡和相平面圖的性質    8.5.3  相平面圖的繪制  8.6  二階系統(tǒng)的相軌跡    8.6.1  奇點    8.6.2  極限環(huán)    8.6.3  漸近線  8.7  非線性系統(tǒng)的相平面法分析  思考題與習題參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖:第1章 自動控制系統(tǒng)的基本概念1.1 引言讀者現(xiàn)在可能并不理解自動控制復雜的細節(jié),但卻從現(xiàn)代生活中的洗衣機、電冰箱、電飯煲等生活用品中可以感受到自動控制給人們帶來的便利。在這個星球上,人們的生活在很大程度上都依賴于自動運行的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在不需要人工干預的情況下,自動執(zhí)行某些功能的能力對人們的生活產生了巨大的影響,自動控制的成就令人類著迷和興奮。1.1.1 自動控制的自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)先來認識一些我們周圍存在的、能實現(xiàn)自動控制的自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)。以人體自然系統(tǒng)為例,這個系統(tǒng)持續(xù)的自動控制是人們保持健康的基本條件。人體可以通過體溫控制系統(tǒng)、心跳控制系統(tǒng)、眼球聚焦系統(tǒng)、新陳代謝系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)以及腎臟、肺和肝臟及其他許多人體內的系統(tǒng)完成許多功能,從而維持人的生命。這些系統(tǒng)是在人們非有意識干預的情況下自動運行的。在日常生活中,人們接觸到或使用著許多自動運行的人造系統(tǒng),如在高層建筑中的電梯控制系統(tǒng)、炎熱夏季和寒冷冬季的室內溫度空調系統(tǒng)、水箱中熱水的溫度控制系統(tǒng)、水位控制裝置以及剎車防抱死系統(tǒng)等,這些只是眾多的自動運行系統(tǒng)的幾個例子。除此之外,讀者應該也能舉出類似的例子。自動控制的作用就是在人不直接參與的情況下,能夠使某些被控制量(如工業(yè)加熱爐的爐溫、飛機的飛行速度與仰角)按指定的規(guī)律變化。因此,自動控制是一個非常有吸引力的研究領域,在過去的幾十年中發(fā)展起來的理論和實踐解決了大量的自動化問題,使這個領域具有了通用的特點。在現(xiàn)代生活的所有方面,從宇宙飛船、導彈制導和飛機駕駛到機器制造、工業(yè)生產過程和日常生活中,自動控制系統(tǒng)都是極其重要且不可缺少的部分。例如,在工業(yè)過程中,對壓力、溫度、流量、液位和成分的控制;在機器制造工業(yè)中,機器零件的加工、處理和裝配的控制;此外,在機器人、城市交通、網絡堵塞等問題中,自動控制也發(fā)揮著重要作用。將自動控制技術用于生產,可以提高勞動生產率,改善勞動條件和加強企業(yè)管理。將自動控制技術用于國防領域,可以提高部隊的戰(zhàn)斗力,促進國防現(xiàn)代化。自動控制技術在探索新能源、發(fā)展空間技術、改善人民生活以及處理經濟、社會問題等方面都起著日益重要的作用。自動控制系統(tǒng)有電子的、機械的、化學的、水力的、金融的和經濟的。

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作為自動化專業(yè)本科教材,《自動控制原理》系統(tǒng)地講述了關于自動控制系統(tǒng)建模、分析與設計的基本理論和方法。 《自動控制原理》通過嚴謹?shù)臄?shù)學描述推導出清晰的物理概念,并應用數(shù)學工具分析工程中的實際系統(tǒng);針對每章的主要內容提出思考題,使學習者能夠較深入地理解和建立單變量控制系統(tǒng)的理論框架,進而較快地掌握單變量控制系統(tǒng)的分析與設計。 從貼近學習者的角度組織編寫,嘗試用較輕松活潑的語言描述專業(yè)問題并引出解決思路,力求深入淺出,突出重點。

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