自動(dòng)控制原理與技術(shù)

內(nèi)容概要

　　《自動(dòng)控制原理與技術(shù)》在內(nèi)容編排上注意循序漸進(jìn)，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(qiáng)了對基本理論及其應(yīng)用的闡述，深入淺出地介紹了自動(dòng)控制的基本概念。減少了公式和結(jié)論的理論推導(dǎo)過程。針對職業(yè)教育的特點(diǎn)，《自動(dòng)控制原理與技術(shù)》強(qiáng)調(diào)了對公式和結(jié)論應(yīng)用能力的培養(yǎng)，而不強(qiáng)調(diào)其推導(dǎo)過程。由于計(jì)算機(jī)的迅速普及和應(yīng)用，借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)已成為現(xiàn)實(shí)，因此《自動(dòng)控制原理與技術(shù)》引入了當(dāng)今世界上最流行的、基于MATLAB的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的內(nèi)容，使學(xué)生在掌握基本概念的同時(shí)，還能掌握一種有力的工具。這也為教師進(jìn)行CAI教學(xué)提供了條件。 《自動(dòng)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(xué)自動(dòng)化、電氣技術(shù)、智能樓宇、機(jī)電一體化及相近專業(yè)的自動(dòng)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(dòng)控制的基本概念1.2.1　人工控制與自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)的特征和定義1.3　自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成1.3.1　基本組成部分1.3.2　自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語1.4　自動(dòng)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(dòng)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(shí)間而變化分類1.5　自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例1.5.1　蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)1.5.2　爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)1.5.3　導(dǎo)彈發(fā)射架的方位控制系統(tǒng)1.5.4　船舶隨動(dòng)舵的控制系統(tǒng)1.5.5　火炮、雷達(dá)天線的方位控制系統(tǒng)1.6　對自動(dòng)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(dòng)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真工具M(jìn)ATLAB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(yùn)算符1.7.5　繪制響應(yīng)曲線1.7.6　SIMUUNK簡介本章小結(jié)習(xí)題2　自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(fù)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(diǎn)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(dòng)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(yīng)用舉例本章小結(jié)習(xí)題3　自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)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(yīng)用3.2　典型輸入信號和階躍響應(yīng)性能指標(biāo)3.2.1　典型輸入信號3.2.2　階躍響應(yīng)性能指標(biāo)3.3　一階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)3.3.1　一階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)3.3.2　一階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)3.4　二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)3.4.1　二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)3.4.2　二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)3.4.3　二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系3.5　高階系統(tǒng)的時(shí)域分析3.5.1　閉環(huán)系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)3.5.2　高階系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)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(dòng)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(shí)域分析的MATLAB實(shí)現(xiàn)3.7.1　控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)3.7.2　控制系統(tǒng)單位沖激響應(yīng)3.7.3　系統(tǒng)在其他輸入下控制系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)3.7.4　應(yīng)用Simulink分析系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)本章小結(jié)習(xí)題4　自動(dòng)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(diǎn)（k=0）和終點(diǎn)（k=oc）4.2.4　實(shí)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(diǎn)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(diǎn)4.3　根軌跡分析在MATLAB中的實(shí)現(xiàn)4.3.1　繪制系統(tǒng)零極點(diǎn)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(diǎn)處的增益函數(shù)rolcfind（）本章小結(jié)習(xí)題5　自動(dòng)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(yīng)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(dòng)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(xí)題6　自動(dòng)控制系統(tǒng)的校正6.1　自動(dòng)控制系統(tǒng)性能改善概述6.1.1　自動(dòng)控制系統(tǒng)校正的概念6.1.2　校正的實(shí)質(zhì)6.1.3　校正方案的確定6.1.4　系統(tǒng)性能指標(biāo)的確定6.2　提高系統(tǒng)準(zhǔn)確性的校正方法6.2.1　引入輸入補(bǔ)償方法6.2.2　引入擾動(dòng)補(bǔ)償方法6.3　改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的校正方法6.3.1　引入速度負(fù)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(yīng)用6.5.1　根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)（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(jì)算相角裕度和幅值裕度本章小結(jié)習(xí)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(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型　　研究與分析一個(gè)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(dòng)態(tài)性能，揭示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)與動(dòng)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(xué)模型。所謂數(shù)學(xué)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(xué)表達(dá)式。例如在時(shí)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(xué)模型。有了這個(gè)數(shù)學(xué)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(shí)域解。根據(jù)這一時(shí)域解就可對系統(tǒng)進(jìn)行性能評估。可見，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是定量分析或設(shè)計(jì)計(jì)算的前提?！　〗⒑侠淼臄?shù)學(xué)模型絕非易事。因?yàn)樵诮⒛Ｐ瓦^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(shí)際結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及計(jì)算精度要求，略去一些次要因素，使模型既能準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)本質(zhì)，又能簡化分析計(jì)算工作?！　】刂葡到y(tǒng)數(shù)學(xué)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(yīng)用狀態(tài)變量表達(dá)式較為方便；而在經(jīng)典控制理論中，最常用的數(shù)學(xué)模型是微分方程、傳遞函數(shù)和動(dòng)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖化簡等。　　2.1　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(gè)元件輸入量與輸出量之間關(guān)系的運(yùn)動(dòng)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(shí)還要考慮擾動(dòng)量），并根據(jù)需要引進(jìn)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(xué)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(xué)系統(tǒng)的牛頓定律和熱力學(xué)系統(tǒng)的熱力學(xué)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(dòng)量）關(guān)系的微分方程，即元件的數(shù)學(xué)模型。通常還按照慣例把微分方程寫成標(biāo)準(zhǔn)形式，將與輸入量有關(guān)的各項(xiàng)寫在方程的右邊，與輸出量有關(guān)的各項(xiàng)寫在方程的左邊。方程兩邊各導(dǎo)數(shù)項(xiàng)均按降冪排列?！　　?/pre>








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