自動(dòng)控制原理

前言

自動(dòng)控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和國防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，并在科學(xué)技術(shù)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。“自動(dòng)控制原理”不僅是自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，而且在機(jī)械化工、農(nóng)工等非電類工程專業(yè)的課程設(shè)置中也占有重要地位，計(jì)算機(jī)生物和經(jīng)濟(jì)類專業(yè)的學(xué)生中也有人選修這一課程。本書作為自動(dòng)化專業(yè)本科教材，系統(tǒng)地講述了關(guān)于自動(dòng)控制系統(tǒng)建模、分析與設(shè)計(jì)的基本理論和方法。我們?cè)诰帉懼凶⒁馔怀鲆韵聨讉€(gè)方面： 1. 注重基本理論與基本概念的闡述。通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)得出清晰的物理概念，并應(yīng)用數(shù)學(xué)工具分析工程中的實(shí)際系統(tǒng)； 力求深入淺出和突出重點(diǎn)，使學(xué)習(xí)者能夠基于厚實(shí)的理論而非止步于復(fù)雜的數(shù)學(xué)過程，進(jìn)一步學(xué)習(xí)有關(guān)專門文獻(xiàn)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(shí)例外，同時(shí)考慮了一些機(jī)械、化工等非電類系統(tǒng)的內(nèi)容。3. 注重啟發(fā)性。承上啟下提出問題，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者思考解決問題的思路，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者主動(dòng)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。4. 便于自主學(xué)習(xí)。內(nèi)容編排按照系統(tǒng)建模→分析→設(shè)計(jì)的路線，清晰地展示自動(dòng)控制理論框架與內(nèi)容，方便學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)與參考。5. 注重綜合運(yùn)用能力。強(qiáng)調(diào)了綜合運(yùn)用知識(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析與設(shè)計(jì)的訓(xùn)練。本書的課程安排約為80學(xué)時(shí)，本書內(nèi)容安排如下： 第1、2章講述自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念和物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。第3-5章講述控制系統(tǒng)的時(shí)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(shè)計(jì)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(chǔ)，重點(diǎn)是離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(nèi)容編寫風(fēng)格上，從貼近學(xué)習(xí)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(duì)每章的主要內(nèi)容給出了思考題，使學(xué)習(xí)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(jìn)而較快地掌握單變量控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。本書是在編者教學(xué)團(tuán)隊(duì)多年教學(xué)實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)積累基礎(chǔ)上，參考多種相關(guān)教材集體編寫的。配有《自動(dòng)控制原理習(xí)題集》，以幫助學(xué)習(xí)者更好地學(xué)習(xí)和掌握書中有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論、基本方法和基本計(jì)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(xí)題集，編者向收錄于參考文獻(xiàn)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(xué)出版社和昆明理工大學(xué)精品課程項(xiàng)目的大力支持與資助。在此表以誠摯的謝意！書中不當(dāng)之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

內(nèi)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(yīng)用的基本計(jì)算要點(diǎn)。主要內(nèi)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(shí)域、復(fù)域和頻域理論，以及離散系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)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(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念，第2章講述自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與建模方法，第3～5章講述控制系統(tǒng)的時(shí)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(shè)計(jì)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(chǔ)，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(fēng)格上，從貼近學(xué)習(xí)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(guān)專業(yè)本科生的教材．可供有關(guān)工程技術(shù)人員自學(xué)和參考。

書籍目錄

第1章  自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念  1.1  引言    1.1.1  自動(dòng)控制的自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)    1.1.2  自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史    1.1.3  自動(dòng)控制中的常用術(shù)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(fù)合控制系統(tǒng)  1.3  自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成  1.4  自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類和應(yīng)用  1.5  對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求  思考題與習(xí)題第2章  自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型  2.1  建立動(dòng)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖    2.4.1  結(jié)構(gòu)圖的基本概念    2.4.2  結(jié)構(gòu)圖的組成和建立    2.4.3  結(jié)構(gòu)圖的等效變換  2.5  自動(dòng)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(hào)流圖    2.6.1  信號(hào)流圖采用的符號(hào)及術(shù)語    2.6.2  信號(hào)流圖的等效變換法則    2.6.3  梅遜增益公式  思考題與習(xí)題第3章  線性系統(tǒng)的時(shí)域分析  3.1  自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)的基本概念  3.2  自動(dòng)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(dòng)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(yīng)  3.4  二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)  3.5  二階系統(tǒng)的時(shí)域指標(biāo)    3.5.1  時(shí)域指標(biāo)及其計(jì)算    3.5.2  具有零點(diǎn)的二階系統(tǒng)  3.6  高階系統(tǒng)    3.6.1  高階系統(tǒng)的時(shí)域分析    3.6.2  主導(dǎo)極點(diǎn)和主導(dǎo)極點(diǎn)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(jì)算    3.7.3  動(dòng)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(xí)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(diǎn)的位置與系統(tǒng)性能的關(guān)系    4.4.2  增加開環(huán)零、極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響  思考題與習(xí)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(shí)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(duì)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(yīng)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(yīng)用系統(tǒng)開環(huán)對(duì)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(yīng)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(guān)系    5.5.1  開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的基本性質(zhì)    5.5.2  系統(tǒng)瞬態(tài)特性和開環(huán)頻率特性的關(guān)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(guān)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(guān)系    5.7.1  諧振峰值Mp和超調(diào)量δ％之間的關(guān)系    5.7.2  諧振峰值Mp和調(diào)整時(shí)間ts的關(guān)系    5.7.3  頻帶寬BW和ξ之間的關(guān)系  思考題與習(xí)題第6章  控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)  6.1  引言    6.1.1  設(shè)計(jì)要求    6.1.2  性能指標(biāo)    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(yīng)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(xí)題第7章  線性離散系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)  7.1  采樣控制系統(tǒng)的基本概念  7.2  信號(hào)的采樣和保持    7.2.1  采樣過程及采樣函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式    7.2.2  采樣定理    7.2.3  信號(hào)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(shí)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(xí)題第8章  非線性系統(tǒng)  8.1  非線性系統(tǒng)的特點(diǎn)  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(chǔ)    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(yīng)用條件    8.4.2  非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǔ)    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(zhì)    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(diǎn)    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(xí)題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 自動(dòng)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(dòng)控制復(fù)雜的細(xì)節(jié)，但卻從現(xiàn)代生活中的洗衣機(jī)、電冰箱、電飯煲等生活用品中可以感受到自動(dòng)控制給人們帶來的便利。在這個(gè)星球上，人們的生活在很大程度上都依賴于自動(dòng)運(yùn)行的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在不需要人工干預(yù)的情況下，自動(dòng)執(zhí)行某些功能的能力對(duì)人們的生活產(chǎn)生了巨大的影響，自動(dòng)控制的成就令人類著迷和興奮。1.1.1 自動(dòng)控制的自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)先來認(rèn)識(shí)一些我們周圍存在的、能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(gè)系統(tǒng)持續(xù)的自動(dòng)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(nèi)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(shí)干預(yù)的情況下自動(dòng)運(yùn)行的。在日常生活中，人們接觸到或使用著許多自動(dòng)運(yùn)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(nèi)溫度空調(diào)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(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的幾個(gè)例子。除此之外，讀者應(yīng)該也能舉出類似的例子。自動(dòng)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(jī)的飛行速度與仰角）按指定的規(guī)律變化。因此，自動(dòng)控制是一個(gè)非常有吸引力的研究領(lǐng)域，在過去的幾十年中發(fā)展起來的理論和實(shí)踐解決了大量的自動(dòng)化問題，使這個(gè)領(lǐng)域具有了通用的特點(diǎn)。在現(xiàn)代生活的所有方面，從宇宙飛船、導(dǎo)彈制導(dǎo)和飛機(jī)駕駛到機(jī)器制造、工業(yè)生產(chǎn)過程和日常生活中，自動(dòng)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(duì)壓力、溫度、流量、液位和成分的控制；在機(jī)器制造工業(yè)中，機(jī)器零件的加工、處理和裝配的控制；此外，在機(jī)器人、城市交通、網(wǎng)絡(luò)堵塞等問題中，自動(dòng)控制也發(fā)揮著重要作用。將自動(dòng)控制技術(shù)用于生產(chǎn)，可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件和加強(qiáng)企業(yè)管理。將自動(dòng)控制技術(shù)用于國防領(lǐng)域，可以提高部隊(duì)的戰(zhàn)斗力，促進(jìn)國防現(xiàn)代化。自動(dòng)控制技術(shù)在探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)、改善人民生活以及處理經(jīng)濟(jì)、社會(huì)問題等方面都起著日益重要的作用。自動(dòng)控制系統(tǒng)有電子的、機(jī)械的、化學(xué)的、水力的、金融的和經(jīng)濟(jì)的。

編輯推薦

作為自動(dòng)化專業(yè)本科教材，《自動(dòng)控制原理》系統(tǒng)地講述了關(guān)于自動(dòng)控制系統(tǒng)建模、分析與設(shè)計(jì)的基本理論和方法。 《自動(dòng)控制原理》通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)描述推導(dǎo)出清晰的物理概念，并應(yīng)用數(shù)學(xué)工具分析工程中的實(shí)際系統(tǒng)；針對(duì)每章的主要內(nèi)容提出思考題，使學(xué)習(xí)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(jìn)而較快地掌握單變量控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。 從貼近學(xué)習(xí)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(diǎn)。

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