自動控制理論

前言

　　自動控制理論作為工科院校的技術(shù)基礎(chǔ)課，是自動化專業(yè)的必修課，同時對于電氣、機械、機電一體化、儀表及測試、動力、計算機、管理等相關(guān)專業(yè)也是一門很重要的課程。為了適應(yīng)不同專業(yè)和不同層次教學的需要，特編寫此書。本書是高等學?！笆晃濉本芬?guī)劃教材之一?！　∪珪簿耪?，其中前六章是線性定常連續(xù)系統(tǒng)的分析與綜合，第七、八章講述了非線性系統(tǒng)及采樣系統(tǒng)的基本理論，第九章是關(guān)于MATLAB控制軟件的應(yīng)用簡介和實例?！　”緯谥v述方法上簡明扼要、通俗易懂，加強概念性，在內(nèi)容安排上注意各專業(yè)的通用性和便于不同教學時數(shù)的取舍，具有條理清晰，層次分明等.特點。為了幫助讀者掌握和運用所學理論，每章均備有足夠的例題和習題。另外，作者還編寫了與本書相配套的《自動控制原理復習指導與習題解答》，可供讀者參考?！　”緯杉涯舅勾髮W田思慶、呂志武、李帥、顧凌威，黑龍江八一農(nóng)墾大學梁春英，齊齊哈爾大學王發(fā)智，黑龍江農(nóng)墾勘測設(shè)計研究院程佳生編寫，徐州師范大學劉海寬教授擔任主審。其中，梁春英編寫第一、三章，李帥編寫第二章，田思慶編寫第四、七章，呂志武編寫第五章，程佳生編寫第六章，顧凌威編寫第八章，王發(fā)智編寫第九章。參加本書編寫的還有王雞、張連軍、武俊麗、常江。全書由田思慶統(tǒng)稿?！　”緯诰帉戇^程中參考了很多優(yōu)秀教材和著作，編者向收錄于參考文獻q-的各位作者表示真誠的謝意。由于編者水平有限和N-間倉促，書中定有不當之處，懇請廣大讀者批評、指正。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)地介紹了自動控制理論的基本內(nèi)容，著重于基本概念、基本理論和基本分析方法。全書共分九章，其內(nèi)容包括自動控制概論、控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、控制系統(tǒng)的時域分析、根軌跡法、頻率特性法、控制系統(tǒng)的綜合與校正、非線性控制系統(tǒng)、線性離散系統(tǒng)、MATLAB語言與自動控制系統(tǒng)設(shè)計。    本書可以作為普通高等院?！白詣涌刂评碚摗钡闹饕滩暮徒虒W參考書，適用于自動化、電氣工程及其自動化、機械工程、計算機科學與技術(shù)、電子信息工程、通信工程等專業(yè)，還可供從事控制工程的科技人員自學與參考。

書籍目錄

前言第一章  自動控制概論  1.1  自動控制系統(tǒng)  1.2  開環(huán)控制和閉環(huán)控制    1.2.1  開環(huán)控制    1.2.2  閉環(huán)控制  1.3  控制系統(tǒng)的分類    1.3.1  按描述系統(tǒng)運動方程分類    1.3.2  按系統(tǒng)中信號的性質(zhì)分類    1.3.3  按參考輸入分類  1.4  控制系統(tǒng)的組成及對控制系統(tǒng)性能的要求    1.4.1  控制系統(tǒng)的組成    1.4.2  對控制系統(tǒng)的性能要求  1.5  控制理論發(fā)展簡史  1.6  本課程的特點與學習方法  小結(jié)  習題第二章  系統(tǒng)的數(shù)學模型  2.1  控制系統(tǒng)微分方程的建立    2.1.1  建立數(shù)學模型的基本步驟    2.1.2  非線性微分方程的線性化  2.2  拉普拉斯變換    2.2.1  拉氏變換的定義    2.2.2  典型函數(shù)的拉氏變換    2.2.3  拉氏變換的基本定理    2.2.4  應(yīng)用拉氏變換解線性微分方程  2.3  傳遞函數(shù)    2.3.1  傳遞函數(shù)的定義    2.3.2  典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)    2.3.3  電氣網(wǎng)絡(luò)的運算阻抗與傳遞函數(shù)  2.4  控制系統(tǒng)的方框圖和傳遞函數(shù)    2.4.1  框圖的概念    2.4.2  框圖的變換規(guī)則    2.4.3  反饋系統(tǒng)的傳遞函數(shù)    2.4.4  框圖的化簡  2.5  信號流圖與梅遜公式    2.5.1  信號流圖    2.5.2  梅遜公式  2.6  相似原理  小結(jié)  習題第三章  自動控制系統(tǒng)的時域分析  3.1  典型信號的控制過程    3.1.1  典型輸入信號    3.1.2  典型時間響應(yīng)  3.2  一階系統(tǒng)的時域分析    3.2.1  一階系統(tǒng)的數(shù)學模型    3.2.2  一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)    3.2.3  一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)    3.2.4  一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)    3.2.5  三種響應(yīng)之間的關(guān)系  3.3  二階系統(tǒng)的時域分析    3.3.1  二階系統(tǒng)的數(shù)學模型    3.3.2  單位階躍函數(shù)作用下二階系統(tǒng)的響應(yīng)（簡稱階躍響應(yīng)）    3.3.3  二階系統(tǒng)的性能指標    3.3.4  二階系統(tǒng)計算舉例    3.3.5  二階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)（過渡函數(shù)）    3.3.6  單位斜坡函數(shù)作用下二階系統(tǒng)的響應(yīng)    3.3.7  初始條件不為零時二階系統(tǒng)的響應(yīng)  3.4  高階系統(tǒng)的時域分析    3.4.1  三階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)    3.4.2  高階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)    3.4.3  閉環(huán)主導極點  3.5  控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性    3.5.1  穩(wěn)定的概念    3.5.2  線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件    3.5.3  勞思穩(wěn)定判據(jù)    3.5.4  古爾維茨穩(wěn)定判據(jù)  3.6  控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差    3.6.1  穩(wěn)態(tài)誤差的基本概念    3.6.2  利用終值定理求穩(wěn)態(tài)誤差    3.6.3  系統(tǒng)的型別與參考輸入的穩(wěn)態(tài)誤差    3.6.4  擾動信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差    3.6.5  動態(tài)誤差系數(shù)法  3.7  改善穩(wěn)態(tài)誤差精度的方法    3.7.1  按輸入補償?shù)膹秃峡刂?   3.7.2  按擾動補償?shù)膹秃峡刂? 小結(jié)  習題第四章  根軌跡法  4.1  控制系統(tǒng)的根軌跡  4.2  繪制根軌跡的基本規(guī)則  4.3  根軌跡對系統(tǒng)穩(wěn)定性分析  4.4  特殊根軌跡    4.4.1  參數(shù)根軌跡（廣義根軌跡）    4.4.2  零度根軌跡  4.5  系統(tǒng)閉環(huán)零極點分布與階躍響應(yīng)的關(guān)系    4.5.1  用閉環(huán)零極點表示的階躍響應(yīng)解析式    4.5.2  閉環(huán)主導極點位置與系統(tǒng)動態(tài)性能指標的關(guān)系    4.5.3  利用主導極點估算系統(tǒng)的性能指標  4.6  開環(huán)零、極點的變化與偶極子對根軌跡的影響    4.6.1  開環(huán)零點的變化對根軌跡的影響    4.6.2  開環(huán)極點的變化對根軌跡的影響    4.6.3  偶極子對根軌跡的影響  小結(jié)  習題第五章  頻率特性法  5.1  頻率特性的基本概念  5.2  頻率特性的數(shù)學表示及幾種圖示方法    5.2.1  實頻、虛頻特性    5.2.2  幅頻特性、相頻特性    5.2.3  幅相頻率特性    5.2.4  對數(shù)頻率特性    5.2.5  Nichols圖  5.3  幅相頻率特性圖（極坐標圖）的繪制    5.3.1  典型環(huán)節(jié)    5.3.2  最小相位環(huán)節(jié)幅相頻率特性圖的繪制    5.3.3  開環(huán)幅相頻率特性圖的繪制  5.4  對數(shù)頻率特性圖繪制    5.4.1  典型環(huán)節(jié)的對數(shù)頻率特性圖    5.4.2  開環(huán)對數(shù)頻率特性的繪制    5.4.3  系統(tǒng)的類型與對數(shù)幅頻特性曲線低頻漸近線斜率的對應(yīng)關(guān)系  5.5  最小相位系統(tǒng)  5.6  傳遞函數(shù)的頻域?qū)嶒灤_定  5.7  乃奎斯特穩(wěn)定判據(jù)    5.7.1  幅角定理    5.7.2  乃奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)    5.7.3  開環(huán)系統(tǒng)含有積分環(huán)節(jié)時判據(jù)的應(yīng)用    5.7.4  乃奎斯特穩(wěn)定判據(jù)在伯德圖中的表示形式  5.8  控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性    5.8.1  相角裕度    5.8.2  幅值裕度  5.9  頻率特性與控制系統(tǒng)性能的關(guān)系    5.9.1  閉環(huán)頻率特性與控制系統(tǒng)性能的關(guān)系    5.9.2  二階系統(tǒng)性能指標間的關(guān)系    5.9.3  高階系統(tǒng)性能指標之間的關(guān)系    5.9.4  開環(huán)對數(shù)幅頻特性與性能指標間的關(guān)系  小結(jié)  習題第六章  控制系統(tǒng)的綜合與校正  6.1  概述    6.1.1  綜合、校正的一般概念    6.1.2  校正方式    6.1.3  校正方法  6.2  基本控制規(guī)律分析    6.2.1  比例（P）控制規(guī)律    6.2.2  積分（I）控制規(guī)律    6.2.3  比例一微分（PD）控制規(guī)律    6.2.4  比例一積分（PI）控制規(guī)律    6.2.5  比例  積分一微分（PID）控制規(guī)律  6.3  串聯(lián)校正    6.3.1  串聯(lián)超前校正（PD）    6.3.2  串聯(lián)滯后校正（PI）    6.3.3  串聯(lián)滯后一超前校正（PID）    6.3.4  串聯(lián)校正方式比較  6.4  串聯(lián)校正綜合法    6.4.1  期望頻率特性法    6.4.2  按最佳典型系統(tǒng)校正方法  6.5  反饋校正    6.5.1  反饋校正功能    6.5.2  用頻率法分析反饋校正系統(tǒng)  小結(jié)  習題第七章  非線性控制系統(tǒng)分析  7.1  非線性系統(tǒng)概述    7.1.1  典型的非線性特性    7.1.2  非線性系統(tǒng)的特點    7.1.3  非線性系統(tǒng)的研究方法  7.2  描述函數(shù)法    7.2.1  描述函數(shù)法的基本概念    7.2.2  典型非線性特性的描述函數(shù)    7.2.3  組合非線性特性的描述函數(shù)    7.2.4  非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)分析  7.3  相平面分析法    7.3.1  相平面和相軌跡    7.3.2  相軌跡繪制    7.3.3  相平面的特性    7.3.4  相平面分析  小結(jié)  習題第八章  采樣系統(tǒng)  8.1  概述  8.2  采樣過程和采樣定理    8.2.1  采樣過程    8.2.2  采樣定理    8.2.3  采樣周期的選取  8.3  信號的復現(xiàn)  8.4  差分方程    8.4.1  差分方程的定義    8.4.2  差分方程的解法  8.5  Z變換    8.5.1  Z變換的定義    8.5.2  Z變換的方法    8.5.3  Z變換的性質(zhì)    8.5.4  Z反變換    8.5.5  用Z變換法求解差分方程  8.6  脈沖傳遞函數(shù)    8.6.1  脈沖傳遞函數(shù)的定義    8.6.2  開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)    8.6.3  閉環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)  8.7  采樣系統(tǒng)的性能分析    8.7.1  穩(wěn)定性分析    8.7.2  穩(wěn)態(tài)誤差分析    8.7.3  動態(tài)性能分析    8.7.4  離散系統(tǒng)極點分布與動態(tài)響應(yīng)的關(guān)系    8.7.5  采樣系統(tǒng)的頻域分析  小結(jié)  習題第九章  MATLAB語言與自動控制系統(tǒng)設(shè)計  9.1  MATLAB語言簡介    9.1.1  MATLAB的數(shù)值運算基礎(chǔ)    9.1.2  矩陣及矩陣函數(shù)    9.1.3  MATLAB的繪圖功能  9.2  自動控制系統(tǒng)設(shè)計    9.2.1  時域分析命令    9.2.2  頻率域命令    9.2.3  根軌跡法命令    9.2.4  傳遞函數(shù)的常用命令    9.2.5  控制系統(tǒng)分析舉例  小結(jié)參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第一章　自動控制概論　　在現(xiàn)代科學技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用，目前，自動控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學技術(shù)等領(lǐng)域。可以這樣說，一個國家在自動控制方面水平的高低是衡量它的生產(chǎn)技術(shù)和科學技術(shù)先進與否的一項重要標志。　　自動控制通常被稱為“控制工程”，屬于高新技術(shù)學科，是一門理論性和工程實踐性較強的技術(shù)學科，學科的理論為“自動控制理論”。隨著自動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不僅使生產(chǎn)過程實現(xiàn)了自動化，極大地提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了勞動條件，并且在人類征服自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和改善人民物質(zhì)生活方面等都起著極為重要的作用。盡管從歷史的發(fā)展上看，還是初步的，但從發(fā)展的現(xiàn)狀與前途上看，卻是極活躍、極富生命力的?？刂评碚摬粌H是一門重要的學科，而且也是科學方法論之一。因此，本課程是一門非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。本課程主要講述自動控制的基本理論和分析、設(shè)計控制系統(tǒng)的基本方法。根據(jù)自動控制理論發(fā)展的不同階段，可分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。而隨著控制理論在內(nèi)容上的不斷擴展和更新，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論越來越趨于融合?！　”菊聫墓こ虒嵗霭l(fā)，介紹自動控制的基本概念、基本方式和自動控制系統(tǒng)的分類，重點是自動控制系統(tǒng)的基本組成原理，核心是反饋控制，同時簡單介紹了控制理論的發(fā)展歷史?！　?.1自動控制系統(tǒng)　　所謂自動控制，就是指在沒有人直接操作的情況下，通過控制器使一個裝置或過程《統(tǒng)稱為控制對象》自動地按照給定的規(guī)律運行，使被控物理量或保持恒定或按一定的規(guī)律變化，其本質(zhì)在于無人干預。系統(tǒng)是指按照某些規(guī)律結(jié)合在一起的物體（元部件）的組合，它們互相作用、互相依存，并能完成一定的任務(wù)。為實現(xiàn)某一控制目標所需要的所有物理部件的有機組合體稱為自動控制系統(tǒng)。例如，機械行業(yè)的熱處理爐溫度控制系統(tǒng)、數(shù)控車床按照預定程序自動切削工件的控制系統(tǒng)、火電廠鍋爐蒸汽溫度和壓力的自動控制系統(tǒng)等?！　》答伿强刂评碚撝幸粋€極其重要的概念，它是控制論的基礎(chǔ)。一個系統(tǒng)的輸出信號直接地或經(jīng)過中間變換后全部或部分地返回輸入系統(tǒng)的過程，稱為反饋。根據(jù)反饋信號對輸入信號的加強和減弱，可分為正反饋和負反饋。正反饋使得由輸出端返回來的物理量加強輸入量，系統(tǒng)不會穩(wěn)定，可能產(chǎn)生自激振蕩。負反饋使得由輸出端返回來的物理量減弱輸入量，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，控制和減少干擾信號的影響。只有負反饋系統(tǒng)才具有自動調(diào)節(jié)能力。自動控制理論主要的研究對象一般都是閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)。

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　　《高等學?！笆晃濉本芬?guī)劃教材：自動控制理論》共九章，其中前六章是線性定常連續(xù)系統(tǒng)的分析與綜合，第七、八章講述了非線性系統(tǒng)及采樣系統(tǒng)的基本理論，第九章是關(guān)于MATLAB控制軟件的應(yīng)用簡介和實例?！　　陡叩葘W?！笆晃濉本芬?guī)劃教材：自動控制理論》在講述方法上簡明扼要、通俗易懂，加強概念性，在內(nèi)容安排上注意各專業(yè)的通用性和便于不同教學時數(shù)的取舍，具有條理清晰，層次分明等特點。為了幫助讀者掌握和運用所學理論，每章均備有足夠的例題和習題。另外，作者還編寫了與《高等學校“十一五”精品規(guī)劃教材：自動控制理論》相配套的《自動控制原理復習指導與習題解答》，可供讀者參考。

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