自動控制原理

前言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，自動控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣闊。它不僅大量應(yīng)用于空間科技、冶金、輕工、機(jī)電工程及交通管理、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，而且正不斷向生物、人類社會等其他領(lǐng)域滲透。自動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不但使得生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化，大大提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了勞動條件；同時，在人類征服大自然，改善居住、生活條件等方面也發(fā)揮了非常重要的作用?！　∽詣涌刂萍夹g(shù)的主要作用是不需要人的直接參與，而控制某些物理量按照指定的規(guī)律變化。由于自動控制技術(shù)在各個行業(yè)的廣泛滲透，控制理論已逐漸成為許多學(xué)科共同的專業(yè)基礎(chǔ)課，且愈來愈占有重要的位置?！　∽詣涌刂萍夹g(shù)的研究對象為自動控制系統(tǒng)。分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)就是自動控制原理。自動控制原理一般分為“經(jīng)典控制理論”和“現(xiàn)代控制理論”。本書主要介紹經(jīng)典控制理論的內(nèi)容?！　「鶕?jù)應(yīng)用型本科院校教學(xué)改革的方向，按以下思路安排章節(jié)次序：首先對自動控制系統(tǒng)的基本概念作了必要的敘述，繼而討論實際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立方法，在此基礎(chǔ)上，用時域法引出系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性的基本概念，并分析了低階系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)。在編寫中介紹了根軌跡法及工程上常用的頻率特性法，并結(jié)合了工程實際介紹了自動控制系統(tǒng)的校正方法。由于計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，本書用適當(dāng)?shù)钠榻B了線性離散控制系統(tǒng)的分析方法?？紤]到計算機(jī)仿真技術(shù)在自動控制系統(tǒng)分析中應(yīng)用得越來越廣泛，已成為分析自動控制系統(tǒng)的有力工具，在附錄I中結(jié)合各章內(nèi)容介紹了自動控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真方法，以幫助初學(xué)者入門?！　”緯诰帉戇^程中，注意了應(yīng)用型本科教育的特點，適當(dāng)降低了理論深度，內(nèi)容編寫力求深入淺出、循序漸進(jìn)，注意物理概念的闡述，盡量避免繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，緊密結(jié)合具體的自動控制系統(tǒng)介紹經(jīng)典控制理論的最基本的內(nèi)容，使抽象的控制理論與系統(tǒng)分析、設(shè)計相結(jié)合，理論和實踐相結(jié)合，為讀者學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)?！　”緯蓮埥窠淌谥骶幉⒔y(tǒng)稿，曹艷為副主編。參加本書編寫的人員有張建民（第一章，第二章中第三、四節(jié)，第三章）、曹艷（第二章第一、二節(jié)，第四章，第五章）、劉書智（第六章）、劉海波（第七章、附錄）。全書由李文秀教授主審。　　本書在編寫過程中，參考了同行們的論著，在此，編者對他們表示由衷的謝意?！　∮捎诰幷咚接邢蓿瑫幸欢ù嬖谑杪┖筒煌字帲笄衅谕褂帽緯慕處熀妥x者提出批評指正。

內(nèi)容概要

本書為21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材。    本書闡述了經(jīng)典控制理論的基本概念、原理和各種分析方法。全書共分七章，主要內(nèi)容有系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立方法，線性連續(xù)系統(tǒng)的時域、根軌跡和頻域理論，如系統(tǒng)的動態(tài)性能、靜態(tài)性能、穩(wěn)定性及校正方法；同時適當(dāng)?shù)亟榻B了離散控制系統(tǒng)的分析方法。本書力求突出物理概念、盡量減少繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，內(nèi)容敘述深入淺出，通俗易懂。書中對PID作了重點介紹，并用一定篇幅介紹了系統(tǒng)仿真軟件的應(yīng)用。    本書可作為應(yīng)用型本科院校電氣工程及其自動化、測量技術(shù)及控制、自動化專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的教材，也可作為從事自動化工作的工程技術(shù)人員的參考用書。

書籍目錄

前言第一章　自動控制系統(tǒng)的基本概念　第一節(jié)　自動控制與自動控制系統(tǒng)　第二節(jié)　自動控制系統(tǒng)的類型　第一節(jié)　閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成　第四節(jié)　自動控制系統(tǒng)的基本要求　小結(jié)　習(xí)題第二章　自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型　第一節(jié)　系統(tǒng)微分方程式的編寫　第二節(jié)　傳遞函數(shù)　第三節(jié)　系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其等效變換　第四節(jié)　自動控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)　小結(jié)　習(xí)題第三章　自動控制系統(tǒng)的時域分析　第一節(jié)　自動控制系統(tǒng)的時域指標(biāo)　第二節(jié)　一階系統(tǒng)的動態(tài)性能分析　第三節(jié)　典型二階系統(tǒng)的動態(tài)性能分析　第四節(jié)　高階系統(tǒng)的動態(tài)性能分析　第五節(jié)　自動控制系統(tǒng)的代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)　第六節(jié)　控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差　小結(jié)　習(xí)題第四章　線性控制系統(tǒng)的根軌跡分析法　第一節(jié)　根軌跡的基本概念　第二節(jié)　根軌跡繪制的基本法則　第一節(jié)　廣義根軌跡　第四節(jié)　系統(tǒng)性能分析　小結(jié)　習(xí)題第五章　控制系統(tǒng)的頻域分析法　第一節(jié)　頻率特性的基本概念　第二節(jié)　典型環(huán)節(jié)的頻率特性　第三節(jié)　系統(tǒng)開環(huán)頻率特性　第四節(jié)　用開環(huán)頻率特性分析系統(tǒng)穩(wěn)定性　第五節(jié)　用開環(huán)頻率特性分析系統(tǒng)性能　第六節(jié)　用閉環(huán)頻率特性分析系統(tǒng)性能　小結(jié)　習(xí)題第六章　自動控制系統(tǒng)的校正　第一節(jié)　校正的基本概念　第二節(jié)　串聯(lián)校正　第三節(jié)民反饋校正　第四節(jié)　控制系統(tǒng)的工程設(shè)計方法　小結(jié)　習(xí)題第七章　線性離散控制系統(tǒng)的分析　第一節(jié)　離散控制系統(tǒng)概述　第二節(jié)　離散控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)　第三節(jié)　脈沖傳遞函數(shù)　第四節(jié)　離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析　第五節(jié)　離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差　第六節(jié)　離散控制系統(tǒng)的動態(tài)性能分析　小結(jié)　習(xí)題附錄　附錄Ⅰ 自動控制系統(tǒng)的仿真　第一節(jié)　自動控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的MATLAB表示　　第二節(jié)　線性系統(tǒng)時域響應(yīng)分析　　第三節(jié)　線性系統(tǒng)的根軌跡分析　　第四節(jié)　線性系統(tǒng)的頻域分析　 附錄Ⅱ 常用函數(shù)的拉氏變換與Z變換對照表參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第一章　自動控制系統(tǒng)的基本概念　　在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，自動控制技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展，并且應(yīng)用在各行各業(yè)。無論是在航空航天領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域，還是民用領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域，自動控制技術(shù)所取得的成就都是驚人的。自動控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)是自動控制理論，而自動控制技術(shù)的發(fā)展反過來又促進(jìn)了自動控制理論的進(jìn)一步完善?！　”菊陆榻B自動控制的一些基本概念、自動控制系統(tǒng)的組成和分類、對控制系統(tǒng)的性能要求等內(nèi)容。　　第一節(jié)　自動控制與自動控制系統(tǒng)　　一、自動控制與自動控制系統(tǒng)的含義　　所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制器或控制裝置），使機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行?！　∠旅嬉誀t溫控制系統(tǒng)為例，說明自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點?！　≡撓到y(tǒng)的控制目標(biāo)是通過調(diào)整自耦變壓器滑動端的位置，來改變電阻爐的溫度，并使其恒定不變。因為被控制的設(shè)備是電阻爐，被控量是電阻爐的溫度，所以該系統(tǒng)可稱為溫度控制系統(tǒng)。爐溫的給定量由電位器滑動端位置所對應(yīng)的電壓值Ug給出，爐溫的實際值由熱電偶測試出來，并轉(zhuǎn)換成電壓Uf，再把Ur反饋到系統(tǒng)的輸入端與給定電壓Ug比較（通過二者極性反接實現(xiàn)），產(chǎn)生反映實際爐溫與給定爐溫偏差的信號。由于擾動（例如電源電壓波動或加熱物件多少等）影響，爐溫偏離了給定值，其偏離電壓經(jīng)過放大，控制可逆伺服電動機(jī)M，帶動自耦變壓器的滑動端，改變電壓Uc，使?fàn)t溫保持在給定溫度值上。這樣，就實現(xiàn)了無人直接參與的自動爐溫控制?！　∪缟戏治觯瑢⒈豢貙ο蠛涂刂蒲b置按照一定的方式連接起來，組成一個整體，從而實現(xiàn)各種復(fù)雜的自動控制任務(wù)，就構(gòu)成了自動控制系統(tǒng)。

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