自動控制原理與技術(shù)

內(nèi)容概要

　　《自動控制原理與技術(shù)》在內(nèi)容編排上注意循序漸進，由淺入深，便于讀者掌握。主要介紹經(jīng)典控制理論的內(nèi)容，加強了對基本理論及其應用的闡述，深入淺出地介紹了自動控制的基本概念。減少了公式和結(jié)論的理論推導過程。針對職業(yè)教育的特點，《自動控制原理與技術(shù)》強調(diào)了對公式和結(jié)論應用能力的培養(yǎng)，而不強調(diào)其推導過程。由于計算機的迅速普及和應用，借助計算機進行控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計已成為現(xiàn)實，因此《自動控制原理與技術(shù)》引入了當今世界上最流行的、基于MATLAB的系統(tǒng)分析和設(shè)計的內(nèi)容，使學生在掌握基本概念的同時，還能掌握一種有力的工具。這也為教師進行CAI教學提供了條件。 《自動控制原理與技術(shù)》可作為高等職業(yè)院校、大專院校、中等職業(yè)院校、電大和業(yè)余大學自動化、電氣技術(shù)、智能樓宇、機電一體化及相近專業(yè)的自動控制及類似課程的選用教材，也可供電氣工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

1　緒論1.1　引言1.2　自動控制的基本概念1.2.1　人工控制與自動控制1.2.2　開環(huán)控制系統(tǒng)1.2.3　閉環(huán)控制系統(tǒng)1.2.4　自動控制系統(tǒng)的特征和定義1.3　自動控制系統(tǒng)的組成1.3.1　基本組成部分1.3.2　自動控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語1.4　自動控制系統(tǒng)的分類1.4.1　按輸入信號的特征分類1.4.2　按描述元件的動態(tài)方程分類1.4.3　按信號的傳遞是否連續(xù)分類1.4.4　按系統(tǒng)的參數(shù)是否隨時間而變化分類1.5　自動控制系統(tǒng)的應用實例1.5.1　蒸汽機轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)1.5.2　爐溫自動控制系統(tǒng)1.5.3　導彈發(fā)射架的方位控制系統(tǒng)1.5.4　船舶隨動舵的控制系統(tǒng)1.5.5　火炮、雷達天線的方位控制系統(tǒng)1.6　對自動控制系統(tǒng)的基本要求及本課程的研究內(nèi)容1.6.1　對自動控制系統(tǒng)的基本要求1.6.2　本課程的研究內(nèi)容1.7　計算機輔助設(shè)計與仿真工具MATLAB軟件簡介1.7.1　MATLAB的操作界面簡介1.7.2　MATLAB中的命令和函數(shù)1.7.3　MATLAB中的常量和變量1.7.4　MATLAB中的運算符1.7.5　繪制響應曲線1.7.6　SIMUUNK簡介本章小結(jié)習題2　自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型2.1　控制系統(tǒng)的微分方程2.1.1　線性元件的微分方程2.1.2　微分方程的增量化表示2.1.3　非線性微分方程的線性化2.1.4　線性系統(tǒng)微分方程的編寫2.2　傳遞函數(shù)2.2.1　傳遞函數(shù)的概念和定義2.2.2　用復數(shù)阻抗法求電網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)2.2.3　關(guān)于傳遞函數(shù)的幾點說明2.3　控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖及其等效變換2.3.1　結(jié)構(gòu)圖的基本概念2.3.2　結(jié)構(gòu)圖的組成和建立2.4　自動控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.4.1　系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)2.4.2　閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.4.3　閉環(huán)系統(tǒng)的偏差傳遞函數(shù)2.5　信號流圖2.5.1　信號流圖采用的一些符號及術(shù)語2.5.2　信號流圖的等效變換法則2.5.3　梅遜公式及其應用舉例本章小結(jié)習題3　自動控制系統(tǒng)的時域分析3.1　穩(wěn)定性和代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)3.1.1　穩(wěn)定的概念和線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件3.1.2　勞斯穩(wěn)定判據(jù)3.1.3　勞斯穩(wěn)定判據(jù)的應用3.2　典型輸入信號和階躍響應性能指標3.2.1　典型輸入信號3.2.2　階躍響應性能指標3.3　一階系統(tǒng)的動態(tài)性能指標3.3.1　一階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應3.3.2　一階系統(tǒng)的動態(tài)性能指標3.4　二階系統(tǒng)的動態(tài)性能指標3.4.1　二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應3.4.2　二階系統(tǒng)的動態(tài)性能指標3.4.3　二階系統(tǒng)動態(tài)性能指標與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系3.5　高階系統(tǒng)的時域分析3.5.1　閉環(huán)系統(tǒng)主導極點3.5.2　高階系統(tǒng)的主導極點分析3.6　穩(wěn)態(tài)誤差分析3.6.1　穩(wěn)態(tài)誤差的定義3.6.2　控制系統(tǒng)的型別3.6.3　給定輸入信號作用下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差3.6.4　擾動輸入作用下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差3.6.5　提高穩(wěn)態(tài)精度的措施3.7　控制系統(tǒng)時域分析的MATLAB實現(xiàn)3.7.1　控制系統(tǒng)單位階躍響應3.7.2　控制系統(tǒng)單位沖激響應3.7.3　系統(tǒng)在其他輸入下控制系統(tǒng)時域響應3.7.4　應用Simulink分析系統(tǒng)的時域響應本章小結(jié)習題4　自動控制系統(tǒng)的根軌跡分析法4.1　根軌跡分析法概述4.1.1　根軌跡的概念4.1.2　繪制根軌跡的相角條件和輻值條件4.2　根軌跡的繪制方法4.2.1　根軌跡的分支數(shù)4.2.2　根軌跡的連續(xù)性和對稱性4.2.3　根軌跡的起點（k=0）和終點（k=oc）4.2.4　實軸上的根軌跡4.2.5　根軌跡的漸近線4.2.6　根軌跡的分離點4.2.7　根軌跡的起始角與終止角4.2.8　根軌跡與虛軸的交點4.3　根軌跡分析在MATLAB中的實現(xiàn)4.3.1　繪制系統(tǒng)零極點圖的函數(shù)pzmap（）4.3.2　繪制系統(tǒng)根軌跡的函數(shù)rlocus（）4.3.3　求取根軌跡上指定點處的增益函數(shù)rolcfind（）本章小結(jié)習題5　自動控制系統(tǒng)的頻率特性分析法5.1　頻率特性的基本概念5.1.1　頻率特性的定義5.1.2　頻率特性的求取方法5.1.3　頻率特性的圖示方法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　慣性環(huán)節(jié)5.2.5　一階微分環(huán)節(jié)5.2.6　振蕩環(huán)節(jié)5.2.7　二階微分環(huán)節(jié)5.2.8　延遲環(huán)節(jié)5.2.9　非最小相位環(huán)節(jié)5.3　系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性5.3.1　系統(tǒng)開環(huán)幅相頻率特性的繪制5.3.2　系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性的繪制5.4　奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)5.4.1　輔助函數(shù)和奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)5.4.2　奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)在I型和Ⅱ型中的應用5.4.3　在伯德圖上判別閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性5.4.4　多回路系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析5.5　穩(wěn)定裕度5.5.1　相角裕度5.5.2　幅值裕度5.6　利用開環(huán)頻率特性分析系統(tǒng)性能5.6.1　L（w）低頻漸近線與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)系5.6.2　L（w）中頻段的斜率與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系5.6.3　開環(huán)頻率特性和系統(tǒng)動態(tài)性能的關(guān)系5.6.4　L（w）的高頻段對系統(tǒng)性能的影響5.6.5　結(jié)論本章小結(jié)習題6　自動控制系統(tǒng)的校正6.1　自動控制系統(tǒng)性能改善概述6.1.1　自動控制系統(tǒng)校正的概念6.1.2　校正的實質(zhì)6.1.3　校正方案的確定6.1.4　系統(tǒng)性能指標的確定6.2　提高系統(tǒng)準確性的校正方法6.2.1　引入輸入補償方法6.2.2　引入擾動補償方法6.3　改善系統(tǒng)動態(tài)性能的校正方法6.3.1　引入速度負反饋的系統(tǒng)校正方法6.3.2　引入串聯(lián)校正裝置的系統(tǒng)校正方法6.3.3　反饋校正方法6.4　PID調(diào)節(jié)器6.4.1　PID的基本控制作用6.4.2　PID控制器的參數(shù)確定6.5　MATIAB在系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中的應用6.5.1　根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的極點（特征根）判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性6.5.2　利用根軌跡判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性6.5.3　利用頻率特性判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性6.5.4　計算相角裕度和幅值裕度本章小結(jié)習題附錄附錄Ⅰ　常用函數(shù)拉氏變換表附錄Ⅱ　拉氏變換的一些定理附錄Ⅲ　MATLAB函數(shù)命令索引表

章節(jié)摘錄

　　2　自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型　　研究與分析一個系統(tǒng)，不僅要定性地了解系統(tǒng)的工作原理及其特性，而且更要定量地描述系統(tǒng)的動態(tài)性能，揭示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)與動態(tài)性能之間的關(guān)系。這就需要首先建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。所謂數(shù)學模型，就是描述系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內(nèi)部各變量之間相互關(guān)系的數(shù)學表達式。例如在時域中，描述系統(tǒng)輸入量與輸出量之間關(guān)系的微分方程就是系統(tǒng)的數(shù)學模型。有了這個數(shù)學模型之后，只要知道輸入作用和變量的初始條件，就可對微分方程求解，得出系統(tǒng)輸出量的時域解。根據(jù)這一時域解就可對系統(tǒng)進行性能評估。可見，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型是定量分析或設(shè)計計算的前提。　　建立合理的數(shù)學模型絕非易事。因為在建立模型過程中，必須在模型的簡化性和分析結(jié)果的精確性之間作出某些折中的考慮。通常是根據(jù)系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及計算精度要求，略去一些次要因素，使模型既能準確地反映系統(tǒng)的動態(tài)本質(zhì)，又能簡化分析計算工作?！　】刂葡到y(tǒng)數(shù)學模型的形式較多，有微分方程、傳遞函數(shù)、頻率特性、狀態(tài)變量、結(jié)構(gòu)圖和信號流圖等。在現(xiàn)代控制理論中，應用狀態(tài)變量表達式較為方便；而在經(jīng)典控制理論中，最常用的數(shù)學模型是微分方程、傳遞函數(shù)和動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。本章主要研究系統(tǒng)微分方程的編寫、傳遞函數(shù)和動態(tài)結(jié)構(gòu)圖化簡等?！　?.1　控制系統(tǒng)的微分方程　　2.1.1　線性元件的微分方程　　控制系統(tǒng)是由各元件組成的，因此，首先要建立反映各個元件輸入量與輸出量之間關(guān)系的運動方程（一般是微分方程組）。列寫微分方程的一般步驟是：　?。?）根據(jù)元件的工作原理和在系統(tǒng)中的作用，確定元件的輸入量和輸出量（必要時還要考慮擾動量），并根據(jù)需要引進一些中間變量?！　。?）根據(jù)各元件在工作過程中所遵循的物理或化學定律，按工作條件忽略一些次要因素，并考慮相鄰元件的彼此影響，列出微分方程。常用的定律有：電路系統(tǒng)的基爾霍夫定律、力學系統(tǒng)的牛頓定律和熱力學系統(tǒng)的熱力學定律等?！　。?）消去中間變量后得到描述輸出量與輸入量（包括擾動量）關(guān)系的微分方程，即元件的數(shù)學模型。通常還按照慣例把微分方程寫成標準形式，將與輸入量有關(guān)的各項寫在方程的右邊，與輸出量有關(guān)的各項寫在方程的左邊。方程兩邊各導數(shù)項均按降冪排列?！　　?/pre>








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