自動(dòng)控制原理

前言

在自動(dòng)控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用的今天，越來(lái)越多的人想要了解和掌握自動(dòng)控制原理，尤其是那些可能從事和接觸自動(dòng)化科技的科技人員。學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理課程就成為熟悉自動(dòng)控制的基礎(chǔ)知識(shí)、理解控制系統(tǒng)的工作原理及掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)基本技能的主要途徑。學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理課程首先需要有一本好的教材。這對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，是請(qǐng)到了一個(gè)好的書本教師，而對(duì)于教授此課的教師來(lái)說(shuō)，是得到了一個(gè)精心設(shè)計(jì)的參考教案。對(duì)于這個(gè)學(xué)生和教師在幾個(gè)月的課程學(xué)習(xí)中共同依賴的課本，自然有許多理想特性的期待。這些期待也正是我們編書者的努力目標(biāo)。就知識(shí)點(diǎn)的分布而言，本書有較大的寬度，可以覆蓋常用的原理性的全部基礎(chǔ)知識(shí)。就論述知識(shí)的深度而言，本書采用以建立基本概念和掌握基本分析技能夠用為度的原則。因?yàn)樗v述的多種分析方法都是前人精心開發(fā)并已得到理論證明和多年實(shí)踐檢驗(yàn)的，所以本書不加證明地直接引用，只是為了讓學(xué)生在有限時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)更多的有用知識(shí)和掌握更本質(zhì)的概念和技能。為此，學(xué)生也應(yīng)當(dāng)采用“拿來(lái)先用”和“邊用邊理解其本質(zhì)”的學(xué)習(xí)策略。就自動(dòng)控制原理課程的本質(zhì)而言，本書突出的是自動(dòng)控制系統(tǒng)的特性分析方法和控制器的初步設(shè)計(jì)理念。我們所期待的一個(gè)控制工程師或科技人員面對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)可表現(xiàn)的能力是：首先，他會(huì)用方框圖變換或信號(hào)流圖法將該系統(tǒng)分解成環(huán)節(jié)或綜合成大的系統(tǒng)；其次，他會(huì)用機(jī)理建?；?qū)嶒?yàn)建模法建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可能是傳遞函數(shù)、或是狀態(tài)方程形式；第三，他會(huì)用系統(tǒng)分析方法分析出系統(tǒng)的基本特性，比如說(shuō)，穩(wěn)定性、快速性或穩(wěn)態(tài)誤差等；第四，他會(huì)用控制器的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)控制器或利用系統(tǒng)分析方法改進(jìn)系統(tǒng)特性。就自動(dòng)控制原理課程的主要內(nèi)容——系統(tǒng)特性分析方法而言，可謂豐富多彩、各有千秋。系統(tǒng)特性分析方法可主要分為時(shí)域法、根軌跡法、頻域法和狀態(tài)空間法四種。前三種方法都是基于傳遞函數(shù)模型，第四種方法基于狀態(tài)方程模型。時(shí)域法是最基本的，它以階躍響應(yīng)直觀地定義了時(shí)域性能指標(biāo)，用勞斯判據(jù)可輕松判別系統(tǒng)穩(wěn)定性，用穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)可定量分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。根軌跡法則利用變開環(huán)增益在閉環(huán)根平面上展示了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性變化。頻域法則利用對(duì)數(shù)幅頻特性曲線直觀地表示了系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。狀態(tài)空間法則可利用矩陣變換分析出系統(tǒng)的可控性和可觀性。四種方法構(gòu)成了控制理論的基礎(chǔ)。不管是控制專業(yè)的學(xué)生還是非控制專業(yè)的學(xué)生都應(yīng)該知道這四種方法，差別只在于程度上的深淺。就控制系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)知識(shí)而言，在一般的自動(dòng)控制原理教科書并不編入，而本書用了一整章的篇幅（第四章 ）。這是因?yàn)橄到y(tǒng)分析的目的就是為了設(shè)計(jì)和應(yīng)用，連在一起考慮讓學(xué)生更能體會(huì)到分析的用處和應(yīng)用的效果。雖然控制專業(yè)的學(xué)生有后續(xù)的控制系統(tǒng)課程，但是早一點(diǎn)把設(shè)計(jì)和分析聯(lián)系在一起對(duì)他們有很多益處，這對(duì)于非控制專業(yè)的學(xué)生更加有必要。

內(nèi)容概要

本書為普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。本書比較全面地介紹了自動(dòng)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基本理論和應(yīng)用技術(shù)。內(nèi)容包括：控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，控制系統(tǒng)的時(shí)域分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)論，控制系統(tǒng)的根軌跡分析與設(shè)計(jì)、頻域分析與設(shè)計(jì)、狀態(tài)空間分析與設(shè)計(jì)，離散控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)以及非線性控制系統(tǒng)的分析。本書知識(shí)點(diǎn)分布較寬，難度適中，突出了控制系統(tǒng)特性分析方法和控制器初步設(shè)計(jì)理念，強(qiáng)調(diào)了建立基本概念和掌握基本分析技能，所舉案例多在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，尤其在電力工業(yè)領(lǐng)域，同時(shí)還給出了應(yīng)用MATLAB工具進(jìn)行輔助分析的提示。    本書可作為高等學(xué)校電氣信息類及相關(guān)專業(yè)教材，也可供從事自動(dòng)化技術(shù)的工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。

書籍目錄

前言第一章  緒論  第一節(jié)  引言  第二節(jié)  反饋控制系統(tǒng)的基本概念  第三節(jié)  方框圖表示法和控制系統(tǒng)組成要素  第四節(jié)  自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類  第五節(jié)  控制系統(tǒng)性能分析  第六節(jié)  自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求  習(xí)題一第二章  控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型  第一節(jié)  引言  第二節(jié)  微分方程、傳遞函數(shù)和階躍響應(yīng)  第三節(jié)  機(jī)理分析建模方法  第四節(jié)  典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性  第五節(jié)  方框圖等效轉(zhuǎn)換和信號(hào)流圖  第六節(jié)  狀態(tài)空間模型及求解  第七節(jié)  狀態(tài)空間模型的標(biāo)準(zhǔn)形  第八節(jié)  狀態(tài)空間模型的標(biāo)準(zhǔn)形變換  第九節(jié)  實(shí)驗(yàn)建模方法  習(xí)題二第三章  控制系統(tǒng)的時(shí)域分析  第一節(jié)  引言  第二節(jié)  時(shí)域性能指標(biāo)  第三節(jié)  一階系統(tǒng)的時(shí)域分析  第四節(jié)  二階系統(tǒng)的時(shí)域分析  第五節(jié)  高階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及簡(jiǎn)化分析  第六節(jié)  零極點(diǎn)分布對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響  第七節(jié)  控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與代數(shù)判據(jù)  第八節(jié)  控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析及誤差系數(shù)  第九節(jié)  李亞普諾夫穩(wěn)定性分析  習(xí)題三第四章  控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)論及時(shí)域設(shè)計(jì)  第一節(jié)  引言  第二節(jié)  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  第三節(jié)  控制規(guī)律選擇  第四節(jié)  控制器參數(shù)整定  第五節(jié)  串級(jí)控制系統(tǒng)  第六節(jié)  多閉環(huán)控制系統(tǒng)  第七節(jié)  比值控制系統(tǒng)  第八節(jié)  前饋控制系統(tǒng)  第九節(jié)  解耦控制系統(tǒng)  第十節(jié)  遲延補(bǔ)償控制系統(tǒng)  第十一節(jié)  其他控制系統(tǒng)  習(xí)題四第五章  控制系統(tǒng)的根軌跡分析與設(shè)計(jì)  第一節(jié)  引言  第二節(jié)  根軌跡的基本概念  第三節(jié)  繪制根軌跡圖的規(guī)則和方法  第四節(jié)  開環(huán)零極點(diǎn)對(duì)根軌跡的影響  第五節(jié)  控制系統(tǒng)的根軌跡設(shè)計(jì)  第六節(jié)  參變量根軌跡族  第七節(jié)  零度根軌跡  習(xí)題五第六章  控制系統(tǒng)的頻域分析與設(shè)計(jì)  第一節(jié)  引言  第二節(jié)  頻率特性的基本概念  第三節(jié)  頻率特性的極坐標(biāo)圖  第四節(jié)  頻率特性的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖  第五節(jié)  控制系統(tǒng)的奈氏圖分析  第六節(jié)  控制系統(tǒng)的伯德圖分析  第七節(jié)  閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性分析  第八節(jié)  控制系統(tǒng)的頻域設(shè)計(jì)  習(xí)題六第七章  離散控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)  第一節(jié)  引言  第二節(jié)  連續(xù)信號(hào)的采樣和復(fù)現(xiàn)  第三節(jié)  離散控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型  第四節(jié)  離散控制系統(tǒng)的性能分析  第五節(jié)  離散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)  習(xí)題七第八章  控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析與設(shè)計(jì)  第一節(jié)  引言  第二節(jié)  離散狀態(tài)方程及時(shí)域解  第三節(jié)  連續(xù)狀態(tài)方程與離散狀態(tài)方程之間的轉(zhuǎn)換  第四節(jié)  狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的計(jì)算  第五節(jié)  系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能控性和能觀性分析  第六節(jié)  線性定常系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解  第七節(jié)  閉環(huán)控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析  第八節(jié)  用極點(diǎn)配置法設(shè)計(jì)狀態(tài)控制器  第九節(jié)  用極點(diǎn)配置法設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測(cè)器  第十節(jié)  最優(yōu)控制概論  習(xí)題八第九章  非線性控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)  第一節(jié)  引言  第二節(jié)  非線性控制系統(tǒng)的描述函數(shù)分析  第三節(jié)  非線性控制系統(tǒng)的相平面分析  第四節(jié)  非線性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)  習(xí)題九附錄  附錄1  拉普拉斯變換表及定理  附錄2  用拉氏變換求解微分方程  附錄3  Z變換表及定理  附錄4  Z反變換解算  附錄5  典型系統(tǒng)的根軌跡圖  附錄6  習(xí)題參考答案參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

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《自動(dòng)控制原理:理論篇》由中國(guó)電力出版社出版。

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