自動控制理論

前言

　　本書是作者根據(jù)多年來為本科生講授“自動控制原理”課程的教學(xué)經(jīng)驗與體會，充分吸收和借鑒了近年來國內(nèi)外相關(guān)教材的有益經(jīng)驗和先進教學(xué)理念，并經(jīng)過進一步的充實與提煉編寫而成的?！　”緯诒３纸?jīng)典控制理論的系統(tǒng)性和連貫性的基礎(chǔ)上，強調(diào)基本概念、原理和方法，突出實際工程應(yīng)用，淡化理論推導(dǎo)和證明；內(nèi)容深入淺出，覆蓋面廣，重點突出；例題與習(xí)題豐富，實用性強，適合自學(xué)。　　全書共分8章。第1章是自動控制的一般概念，主要介紹自動控制系統(tǒng)的一些基本概念及常用術(shù)語，使讀者對自動控制系統(tǒng)有一個概略的了解；第2章為控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，重點介紹經(jīng)典控制理論最重要的數(shù)學(xué)模型——傳遞函數(shù)，為控制系統(tǒng)的分析和綜合奠定基礎(chǔ)；第3～5章介紹線性定常連續(xù)系統(tǒng)的三大分析方法，即時域分析法、根軌跡法和頻域分析法，它們屬于控制系統(tǒng)分析部分；第6章為控制系統(tǒng)的校正，主要介紹基于頻率法的控制系統(tǒng)校正裝置設(shè)計方法，它屬于控制系統(tǒng)綜合部分；第7章為離散控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計，介紹線性定常離散系統(tǒng)的建模、分析和設(shè)計方法；第8章為非線性控制系統(tǒng)分析，著重介紹基于描述函數(shù)法的非線性控制系統(tǒng)分析方法。附錄包括常用函數(shù)的拉普拉斯變換、拉普拉斯變換常用定理、MATLAB／Simulink簡介以及本書中用到的MATLAB函數(shù)索引，以方便讀者使用。

內(nèi)容概要

　　本書主要介紹了經(jīng)典控制理論的基本內(nèi)容，包括自動控制的一般概念，控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，線性系統(tǒng)的時域分析法、根軌跡法和頻域分析法，控制系統(tǒng)的校正，線性離散系統(tǒng)的分析與校正以及非線性控制系統(tǒng)的分析等。除配合各章內(nèi)容介紹了MATLAB在自動控制理論中的使用方法外，每章還都給出了較豐富的例題和習(xí)題，便于讀者自學(xué)?！　”緯勺鳛楦叩仍盒Ｗ詣踊蛳嚓P(guān)專業(yè)本科生的教材或教學(xué)參考書，也可作為有關(guān)專業(yè)研究生、教師及從事自動化方面工作的工程技術(shù)人員的參考書。

作者簡介

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書籍目錄

第1章 自動控制的一般概念 　1.1 引言 　1.2 自動控制與自動控制系統(tǒng) 　　1.2.1 人工控制 　　1.2.2 自動控制 　　1.2.3 自動控制系統(tǒng) 　　1.2.4 控制系統(tǒng)的方塊圖 　1.3 自動控制系統(tǒng)的基本控制方式 　　1.3.1 開環(huán)控制 　　1.3.2 閉環(huán)控制 　　1.3.3 復(fù)合控制 　1.4 自動控制系統(tǒng)的基本組成與分類 　　1.4.1 自動控制系統(tǒng)的基本組成 　　1.4.2 自動控制系統(tǒng)的分類 　1.5 自動控制系統(tǒng)示例 　　1.5.1 計算機硬盤讀/寫數(shù)據(jù)系統(tǒng) 　　1.5.2 水加熱自動控制系統(tǒng) 　　1.5.3 防空導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng) 　1.6 對自動控制系統(tǒng)的要求 　　1.6.1 穩(wěn)定性 　　1.6.2 快速性 　　1.6.3 準(zhǔn)確性 　　1.6.4 自動控制理論主要研究的問題 　習(xí)題 第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 　2.1 數(shù)學(xué)模型概述 　　2.1.1 數(shù)學(xué)模型的定義與分類 　　2.1.2 數(shù)學(xué)模型建立的原則 　2.2 控制系統(tǒng)的微分方程 　　2.2.1 微分方程列寫步驟 　　2.2.2 控制系統(tǒng)元件微分方程的列寫 　　2.2.3 控制系統(tǒng)微分方程的列寫 　　2.2.4 非線性微分方程的線性化 　2.3 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 　　2.3.1 傳遞函數(shù)的定義 　　2.3.2 傳遞函數(shù)的性質(zhì) 　　2.3.3 MATLAB中傳遞函數(shù)模型的建立 　　2.3.4 電網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的求取 　　2.3.5 典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù) 　2.4 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 　　2.4.1 結(jié)構(gòu)圖的概念 　　2.4.2 結(jié)構(gòu)圖的組成 　　2.4.3 結(jié)構(gòu)圖的繪制 　　2.4.4 結(jié)構(gòu)圖的基本連接形式 　　2.4.5 結(jié)構(gòu)圖的等效變換 　　2.4.6 用MATLAB求取三種基本連接形式的傳遞函數(shù) 　2.5 信號流圖 　　2.5.1 信號流圖的組成及性質(zhì) 　　2.5.2 信號流圖的繪制 　　2.5.3 梅森增益公式及其應(yīng)用 　2.6 控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) 　　2.6.1 幾個基本概念 　　2.6.2 閉環(huán)傳遞函數(shù) 　習(xí)題 第3章 線性系統(tǒng)的時域分析法 　3.1 引言 　　3.1.1 典型輸入信號 　　3.1.2 動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程 　　3.1.3 性能指標(biāo) 　3.2 一階系統(tǒng)的時域分析 　　3.2.1 數(shù)學(xué)模型 　　3.2.2 單位階躍響應(yīng) 　　3.2.3 單位斜坡響應(yīng) 　　3.2.4 單位脈沖響應(yīng) 　　3.2.5 時間響應(yīng)的特點 　3.3 二階系統(tǒng)的時域分析 　　3.3.1 數(shù)學(xué)模型 　　3.3.2 二階系統(tǒng)的工作狀態(tài) 　　3.3.3 單位階躍響應(yīng) 　　3.3.4 欠阻尼二階系統(tǒng)的動態(tài)性能分析 　　3.3.5 過阻尼二階系統(tǒng)的動態(tài)性能分析 　　3.3.6 二階系統(tǒng)性能的改善 　3.4 高階系統(tǒng)的時間響應(yīng)與性能估算 　　3.4.1 高階系統(tǒng)的時間響應(yīng) 　　3.4.2 基于主導(dǎo)極點法的高階系統(tǒng)性能估算 　3.5 應(yīng)用MATLAB求解系統(tǒng)的時間響應(yīng) 　　3.5.1 單位階躍響應(yīng) 　　3.5.2 單位脈沖響應(yīng) 　　3.5.3 單位斜坡響應(yīng) 　　3.5.4 任意輸入信號作用下的響應(yīng) 　3.6 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 　　3.6.1 穩(wěn)定性的概念和定義 　　3.6.2 線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件 　　3.6.3 勞思穩(wěn)定判據(jù) 　　3.6.4 應(yīng)用MATLAB進行穩(wěn)定性分析 　3.7 線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計算 　　3.7.1 誤差與穩(wěn)態(tài)誤差 　　3.7.2 系統(tǒng)類型 　　3.7.3 輸入信號作用下穩(wěn)態(tài)誤差的計算 　　3.7.4 擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 　　3.7.5 減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的措施 　習(xí)題 第4章 線性系統(tǒng)的根軌跡法 第5章 線性系統(tǒng)的頻域分析法第6章 控制系統(tǒng)的校正 第7章 線性離散系統(tǒng)的分析與校正第8章 非線性控制系統(tǒng)的分析 附錄A 常用函數(shù)的拉普拉斯變換 附錄B 拉普拉斯變換常用定理 附錄C MATLAB/Simulink 簡介 附錄D 本書中用到的MATLAB函數(shù)索引 參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第1章　自動控制的一般概念　　1.1　引言　　相對論、量子力學(xué)以及控制論被認(rèn)為是20世紀(jì)三項偉大的科學(xué)成就，也是人類認(rèn)識和改造世界的三大飛躍。1948年，控制論的奠基人維納（Norbert Wiener）出版《控制論，或關(guān)于在動物和機器中控制和通信的科學(xué)》一書，宣告了控制論作為一門學(xué)科的誕生。1954年，我國杰出的科學(xué)家錢學(xué)森出版了《工程控制論》，將控制論發(fā)展為一門技術(shù)科學(xué)--工程控制論，該書從技術(shù)科學(xué)的觀點，對各種工程技術(shù)系統(tǒng)的自動控制理論作了全面研究，奠定了工程控制論的基礎(chǔ)，直到今天仍被認(rèn)為是工程控制論的奠基性著作?！　‖F(xiàn)在，自動控制技術(shù)不僅被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)等各個行業(yè)，也被越來越廣泛地應(yīng)用在人口控制、成本控制、社會經(jīng)濟控制等社會科學(xué)領(lǐng)域。在今天的社會生活中，自動控制技術(shù)也是無處不在，例如，汽車、空調(diào)器、微波爐、全自動洗衣機等都大量采用了自動控制技術(shù)。隨著計算機、通信和傳感器等信息技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，自動控制理論本身也在不斷地發(fā)展和完善，其應(yīng)用越來越普及?！　∽詣涌刂评碚撌枪こ炭刂普摰闹饕碚摬糠?，根據(jù)不同的發(fā)展階段，其內(nèi)容分為經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論、大系統(tǒng)理論及智能控制理論。經(jīng)典控制理論又稱古典控制理論，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)為基本工具，研究單輸入單輸出（Single-Input-Single-Output，SISO）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)空間描述為基礎(chǔ)，以矩陣論和近代數(shù)學(xué)方法作為工具，研究多輸入多輸出（Multi-Input-Multi-Output，MIMO）、時變、非線性等控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題?，F(xiàn)代控制理論本身也在不斷拓展，已經(jīng)形成了如線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制、最優(yōu)估計、系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制等分支學(xué)科。自20世紀(jì)70年代以來，大系統(tǒng)理論、魯棒控制、非線性控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)等已成為控制理論研究的熱點，并推動了自動控制理論向縱深方向的發(fā)展。目前，自動控制理論正朝著以控制論、信息論及仿生學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制理論深入發(fā)展。縱觀一個多世紀(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。作為基礎(chǔ)性教材，本書只介紹經(jīng)典控制理論的內(nèi)容。

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