自動控制理論

前言

自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)，在工程、軍事以及社會經(jīng)濟的各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它的早期是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)原理；由于在軍事和航空中的成功應(yīng)用，第二次世界大戰(zhàn)后形成了完整的經(jīng)典控制理論體系。20世紀(jì)60年代，隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)和計算機技術(shù)的發(fā)展，以及科技和經(jīng)濟的發(fā)展，逐漸形成了現(xiàn)代控制理論體系；目前，自動控制理論已進(jìn)人大系統(tǒng)理論和智能控制理論的新階段。這就使得“自動控制理論”課程具有理論概念強、工程背景深厚、強調(diào)方法論教育的特點。本書是編者結(jié)合自己多年從事自動控制理論教學(xué)的經(jīng)驗，參閱并吸取了大量國內(nèi)外優(yōu)秀教材，根據(jù)學(xué)校教學(xué)改革的需要，同時為了滿足研究生入學(xué)考試的需要編寫而成。本書共分10章。第1章緒論主要介紹了自動控制系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)，自動控制系統(tǒng)的分類，以及對自動控制系統(tǒng)的要求等。使學(xué)生對有關(guān)自動控制的概念有一定的了解，為后面內(nèi)容的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。第2章介紹了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，首先根據(jù)電路原理建立微分方程，再轉(zhuǎn)化成傳遞函數(shù)，對于復(fù)雜系統(tǒng)，采用結(jié)構(gòu)圖化簡和梅森公式求傳遞函數(shù)。最后利用Matlab仿真軟件建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。第3章和第8章采用狀態(tài)空間法，首先建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，然后對系統(tǒng)的狀態(tài)空間進(jìn)行分析和設(shè)計。第4、5、6章介紹了線性定常連續(xù)系統(tǒng)的分析方法，即時域法、根軌跡法和頻域法。第7章介紹了線性系統(tǒng)的校正方法，包括串聯(lián)校正、反饋校正和復(fù)合校正。第9章介紹了離散系統(tǒng)的基本理論，數(shù)學(xué)模型，性能分析和最少拍系統(tǒng)的設(shè)計等。第10章介紹了非線性系統(tǒng)的兩種分析方法，相平面法和描述函數(shù)法，全書內(nèi)容精煉，理論闡述深入淺出，突出物理概念，結(jié)合工程實踐，便于應(yīng)用。本書由遼寧工業(yè)大學(xué)王立紅和長春工程學(xué)院張允主編。其中，第1、2、4、6、9章由長春工程學(xué)院張允編寫，第3章和第8章由遼寧工業(yè)大學(xué)王立紅編寫，第5章由長春工程學(xué)院李琳娜編寫，第7章和第10章由長春工程學(xué)院梁春暉編寫。本書由浙江工業(yè)大學(xué)王萬良教授審閱，提出了諸多寶貴意見，在此表示衷心的感謝。由于作者水平有限，編寫時間倉促，書中難免存在錯誤和不當(dāng)之處，懇請廣大讀者給予批評指正。

內(nèi)容概要

本書為21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材。    全書共分10章，包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。經(jīng)典控制理論主要闡述了自動控制系統(tǒng)的基本概念，控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，線性控制系統(tǒng)的時域分析法、根軌跡法、頻域分析法及校正方法；對線性離散系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)定性及穩(wěn)態(tài)誤差、動態(tài)性能分析以及最少拍設(shè)計等問題，進(jìn)行了比較詳細(xì)的討論；在非線性控制系統(tǒng)分析方面，給出了相平面和描述函數(shù)兩種常用的分析方法?，F(xiàn)代控制理論主要闡述了控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型及建立方法，對控制系統(tǒng)進(jìn)行定量分析即狀態(tài)方程求解和定性分析，包括能控性分析和能觀測性分析，主要討淪在狀態(tài)空間設(shè)計中兩種常用的設(shè)計方法——狀態(tài)反饋和輸出反饋，以及狀態(tài)反饋的實現(xiàn)問題，即狀態(tài)觀測器的設(shè)計。最后討論線性定常連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法，即李亞普諾夫第二法。    本書可作為普通高等學(xué)校電氣信息類以及高職高專自動化類相關(guān)專業(yè)教材，還可作為從事自動控制系統(tǒng)工程技術(shù)人員的參考用書。

書籍目錄

前言 第1章 緒論   1.1 引言   1.2 自動控制系統(tǒng)的基本原理與結(jié)構(gòu)   1.3 自動控制系統(tǒng)的分類   1.4 對自動控制系統(tǒng)的基本要求   1.5 自動控制系統(tǒng)舉例   習(xí)題   第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型   2.1 引言   2.2 系統(tǒng)微分方程的建立   2.3 傳遞函數(shù)   2.4 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)   2.5 信號流圖及梅遜公式   2.6 非線性數(shù)學(xué)模型的線性化   2.7 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立與轉(zhuǎn)換方法   習(xí)題 第3章 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型   3.1 狀態(tài)與狀態(tài)空間   3.2 狀態(tài)方程與輸出方程   3.3 狀態(tài)空間模型與輸入輸出模型之間的關(guān)系   3.4 利用狀態(tài)空間模型求解線性定常系統(tǒng)   3.5 利用Matl9b分析狀態(tài)空間模型   習(xí)題 第4章 線性系統(tǒng)的時域分析   4.1 典型輸入信號和時域性能指標(biāo)   4.2 一階系統(tǒng)的時域響應(yīng)分析   4.3 二階系統(tǒng)的時域響應(yīng)分析   4.4 高階系統(tǒng)的時域分析   4.5 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析   4.6 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差   4.7 利用Matlab進(jìn)行時域分析   習(xí)題 第5章 根軌跡法   5.1 根軌跡的基本概念   5.2 繪制根軌跡的基本法則   5.3 廣義根軌跡   5.4 按根軌跡分析控制系統(tǒng)   5.5 利用Matlab進(jìn)行根軌跡分析   習(xí)題 第6章 線性系統(tǒng)的頻域分析法   6.1 頻率特性   6.2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性   6.3 最小相位系統(tǒng)與非最小相位系統(tǒng)   6.4 開環(huán)頻率特性曲線的繪制   6.5 頻率穩(wěn)定判據(jù)   6.6 相對穩(wěn)定性分析   6.7 頻率特性與控制系統(tǒng)性能的關(guān)系   6.8 利用Matlab繪制頻域響應(yīng)圖及分析頻域穩(wěn)定性   習(xí)題 第7章 控制系統(tǒng)的校正   7.1 系統(tǒng)的設(shè)計與校正問題   7.2 基本控制規(guī)律簡介   7.3 常用校正裝置及其特性   7.4 串聯(lián)校正   7.5 反饋校正   7.6 復(fù)合校正   7.7 利用Matlab進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計   習(xí)題 第8章 線性控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析與設(shè)計   8.1 狀態(tài)方程的標(biāo)準(zhǔn)形   8.2 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的能控性   8.3 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的能觀測性   8.4 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解   8.5 能控標(biāo)準(zhǔn)形和能觀測標(biāo)準(zhǔn)形   8.6 狀態(tài)反饋與輸出反饋   8.7 閉環(huán)系統(tǒng)的極點配置   8.8 狀態(tài)觀測器設(shè)計   8.9 帶有狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)   8.10 李亞普諾夫穩(wěn)定性分析   8.11 利用Matlab進(jìn)行狀態(tài)空間分析與設(shè)計 第9章 離散控制系統(tǒng)   9.1 引言   9.2 信號的采樣與保持   9.3 z變換與z反變換   9.4 離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型   9.5 離散系統(tǒng)的性能分析   9.6 最少拍采樣控制系統(tǒng)的設(shè)計   習(xí)題 第10章 非線性控制系統(tǒng)   10.1 典型非線性特性   10.2 描述函數(shù)法   10.3 用描述函數(shù)分析非線性控制系統(tǒng)   10.4 相平面法   10.5 非線性系統(tǒng)的相平面分析   10.6 利用Matlab進(jìn)行非線性系統(tǒng)分析   習(xí)題 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對于改變社會的生產(chǎn)面貌、推動人類文明的進(jìn)程具有極其重要的意義。在此過程中，自動控制技術(shù)始終扮演著重要的角色。例如，在日常生活中，從汽車、空調(diào)器、微波爐、洗衣機的自動控制到城市交通、通信網(wǎng)絡(luò)的控制；在工業(yè)生產(chǎn)過程中，從溫濕度、壓力、流量、頻率、物位的控制到機器人生產(chǎn)線的控制；在尖端控制領(lǐng)域中，從航空航天領(lǐng)域的宇宙飛船姿態(tài)控制到國防工業(yè)中的導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)，自動控制技術(shù)的應(yīng)用幾乎無處不在。此外，在人口控制、成本控制、社會經(jīng)濟控制等社會學(xué)領(lǐng)域，自動控制理論也被越來越廣泛地應(yīng)用。本書要討論的自動控制理論，是自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它是采用數(shù)學(xué)的方法對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合的一般理論。所謂分析是指在給出系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上確定系統(tǒng)的性能。所謂綜合是指在對系統(tǒng)性能提出要求的基礎(chǔ)上，確定一個滿足要求的系統(tǒng)模型。目前，自動控制理論已不僅僅是數(shù)學(xué)研究人員關(guān)心的課題，由于其對工程實踐的指導(dǎo)作用，已成為工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者的必修課。在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，控制工程師已更多、更廣泛地將控制理論與控制技術(shù)結(jié)合起來，在各個專業(yè)工程領(lǐng)域中，將人類的許多夢想變成了現(xiàn)實。所以自動控制理論及其實際應(yīng)用已成為一個極具價值的熱門工程學(xué)科領(lǐng)域，有著無可限量的發(fā)展前途。根據(jù)不同的發(fā)展階段，自動控制理論內(nèi)容主要包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。經(jīng)典控制理論主要是指控制理論從其發(fā)展初期到20世紀(jì)50年代末所形成的理論，它以傳遞函數(shù)為工具和基礎(chǔ)，以頻域法和根軌跡法為核心，研究單變量控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。幾十年來，經(jīng)典控制理論解決了大量的工程實際問題，取得了非常廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)50年代末至60年代初，在航空航天技術(shù)的推動下，現(xiàn)代控制理論應(yīng)運而生，它以狀態(tài)空間法為標(biāo)志和基礎(chǔ)，以矩陣論和近代數(shù)學(xué)方法作為工具，研究多變量、變參數(shù)、非線性、高精度等各種復(fù)雜系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。近年來，由于計算機和現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)研究的迅速發(fā)展，使現(xiàn)代控制理論又在大系統(tǒng)工程、人工智能控制等方面繼續(xù)向縱深發(fā)展?？v觀一個多世紀(jì)以來自動控制科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論并不是相互獨立的，而是相互依存、互為補充的，因此，只有將經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論有機地結(jié)合起來，使其渾然一體，才更有利于理解控制理論的真諦。

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《自動控制理論》：21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材。

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