自動控制原理

前言

本書第一版自2007年9月出版以來，已在多所工科院校使用，并根據(jù)需要重新印刷多次，得到了兄弟院校同行專家和老師們的充分肯定和大力支持。近幾年來，自動控制、電氣工程和電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展給“自動控制原理”課程賦予新的內(nèi)涵，相關(guān)專業(yè)在教學(xué)實(shí)踐中對學(xué)生加強(qiáng)基礎(chǔ)、拓寬專業(yè)和培養(yǎng)能力提出了新的要求，這些都促使本課程的內(nèi)容和體系不斷地進(jìn)行著調(diào)整和改革。因此，編者感到有必要在第1版的基礎(chǔ)上進(jìn)行修訂。本次修訂保持了原有的體系結(jié)構(gòu)和簡明的風(fēng)格，吸收了國內(nèi)外同類教材的優(yōu)點(diǎn)；同時，融入了編者在教學(xué)和科研過程中積累的一些新的體會和成果。主要修改和補(bǔ)充內(nèi)容說明如下。在1.1節(jié)，增補(bǔ)了與自動控制技術(shù)發(fā)展相關(guān)的最新科技進(jìn)展；在1.2和1.3節(jié)，修改了相關(guān)的控制系統(tǒng)方框圖，使實(shí)際物理系統(tǒng)與自動控制系統(tǒng)建立了一一對應(yīng)關(guān)系，便于讀者加深對自動控制系統(tǒng)組成要素的直觀理解；在2.4節(jié)，引入了一個直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的建模實(shí)例，進(jìn)一步鞏固從典型環(huán)節(jié)到控制系統(tǒng)的分析與建模的綜合訓(xùn)練；在3.2.2節(jié)，增補(bǔ)了三種典型輸入信號與系統(tǒng)輸出響應(yīng)關(guān)系表，使動態(tài)性能指標(biāo)的表述更直觀、易讀；將第一版5.3.4節(jié)中的例題合并到5.4.1節(jié)中，使開環(huán)幅相頻率特性曲線繪制的講解更加系統(tǒng)和完整；重寫了奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)這一部分的內(nèi)容，使讀者易于理解和接受；在6.1節(jié)，強(qiáng)調(diào)了控制系統(tǒng)校正的概念；在7.1.1節(jié)，增補(bǔ)了線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)特性比較表，便于讀者快速了解并熟悉線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)的不同特點(diǎn)；將第一版7.2.3節(jié)中的“組合非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)”調(diào)整到7.2.2節(jié)，并增補(bǔ)了“自持振蕩分析”內(nèi)容；刪除了第一版8.3.3節(jié)中z變換定理的證明，避免了與“信號與系統(tǒng)”課程內(nèi)容的重復(fù)；引用了部分新版參考文獻(xiàn)，新增了部分重要參考文獻(xiàn)；修改和補(bǔ)充了部分習(xí)題；更正了第1版中圖表、文字和計算中的一些錯誤和不妥之處。參加本次修訂的有吳懷宇、劉霞、謝勤嵐、宋立忠、熊凌、廖家平、朱清祥、易天元，吳懷宇、廖家平任主編。借此次修訂再版之際，對一直給予本書出版、再版以關(guān)懷和支持的“21世紀(jì)電氣信息學(xué)科立體化系列教材”編委會的各位專家、教授表示由衷的感謝。對讀者的支持謹(jǐn)致深深的謝意。本書的修訂得到了教育部“自動控制原理”國家精品課程（教高函［2008］22號）、“控制理論與應(yīng)用核心課程”國家教學(xué)團(tuán)隊(duì)（教高函［2009］18號）等建設(shè)項(xiàng)目的資助，在此表示衷心感謝。由于作者水平有限，書中難免有疏漏和不足之處，敬請讀者批評指正。編著者

內(nèi)容概要

　　本書是為適應(yīng)應(yīng)用型本科電子信息科學(xué)類、儀器儀表類、電氣信息類、自動控制類及電機(jī)類各專業(yè)的教學(xué)需要而編寫的。在當(dāng)今的社會生活中，自動控制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、航空航天和國防建設(shè)等各個領(lǐng)域，自動化控制裝置無所不在。特別是計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得一些高要求的控制方法得以實(shí)現(xiàn)，自動控制技術(shù)迅速普及。可以說，自動控制技術(shù)對科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。自動控制原理是自動控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)，是自動化及其相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課。隨著自動控制技術(shù)在各個行業(yè)的廣泛滲透，“自動控制原理”已經(jīng)成為眾多不同專業(yè)背景學(xué)生的必修或者選修科目，其重要性可見一斑。一般來說，控制理論分為以單輸入單輸出系統(tǒng)為研究對象的經(jīng)典控制理論和以多輸入多輸出系統(tǒng)為研究對象的現(xiàn)代控制理論。經(jīng)典控制理論是控制理論的基礎(chǔ)，其理論與現(xiàn)代控制理論相通?？紤]到實(shí)際工程的需要以及相當(dāng)一部分院校另外開設(shè)有“現(xiàn)代控制理論”課程的情況，本書只講述經(jīng)典控制理論。如果讀者想學(xué)習(xí)現(xiàn)代控制理論的相關(guān)內(nèi)容，可參閱相關(guān)書籍。本書的主要特點(diǎn)是：注重基本理論與基本概念的闡述，語言文字力求通俗易懂，增加實(shí)例說明，使讀者更好地理解和掌握本書內(nèi)容；各章中都結(jié)合書本內(nèi)容介紹了運(yùn)用Matlab分析與設(shè)計自動控制系統(tǒng)的基本方法，使讀者較容易掌握Matlab在控制工程方面的應(yīng)用，從而滿足21世紀(jì)科技發(fā)展的需要。希望本書的出版有助于提高讀者的理論聯(lián)系實(shí)際的能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)知識打好堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。參與本書編寫工作的有：武漢科技大學(xué)吳懷宇（編寫第1章），江漢大學(xué)劉霞（編寫第2章），中南民族大學(xué)謝勤嵐（編寫第3章），海軍工程大學(xué)宋立忠（編寫第4章），武漢科技大學(xué)熊凌（編寫第5章），湖北工業(yè)大學(xué)廖家平（編寫第6章），長江大學(xué)朱清祥（編寫第7章），武漢工程大學(xué)易天元（編寫第8章）。本書經(jīng)所有參編作者的商討，由吳懷宇負(fù)責(zé)編寫大綱的制定，并負(fù)責(zé)全書的組織和定稿。本書在編寫過程中參考了國內(nèi)外大量專著、教材和文獻(xiàn)（見參考文獻(xiàn)），在此，本書編著者謹(jǐn)向有關(guān)著作者致以衷心的感謝！對于本書中存在的錯誤和不足之處，懇請讀者批評指正。21世紀(jì)電氣信息學(xué)科立體化系列教材

作者簡介

吳懷宇，武漢科技大學(xué)副校長；廖家平，湖北工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院院長

書籍目錄

1 緒論
1.1自動控制理論的形成與發(fā)展
1.1.1 經(jīng)典控制理論階段
1.1.2現(xiàn)代控制理論階段
1.1.3智能控制理論階段
1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念
1.2.1人工控制與自動控制的比較
1.2.2開環(huán)控制系統(tǒng)
1.2.3閉環(huán)控制系統(tǒng)
1.2.4復(fù)合控制系統(tǒng)
1.3自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成
1.3.1自動控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)
1.3.2自動控制系統(tǒng)的基本變量
1.4自動控制系統(tǒng)的分類
1.4.1線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)
1.4.2連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)
1.4.3恒值系統(tǒng)與隨動系統(tǒng)
1.4.4單輸入、輸出系統(tǒng)與多輸入、輸出系統(tǒng)
1.4.5確定性系統(tǒng)與不確定性系統(tǒng)
1.4.6集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)
1.5自動控制系統(tǒng)的基本要求
1.5.1穩(wěn)定系統(tǒng)的判別及穩(wěn)定性的要求
1.5.2動態(tài)特性
1.5.3靜態(tài)特性
1.6教學(xué)內(nèi)容與要求
1.6.1教學(xué)內(nèi)容
1.6.2基本要求
本章小結(jié)
習(xí)題
2 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
2.1線性系統(tǒng)的微分方程
2.2非線性系統(tǒng)的線性化
2.3傳遞函數(shù)
2.3.1傳遞函數(shù)的定義
2.3.2傳遞函數(shù)的基本性質(zhì)
2.3.3典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)
2.4方框圖及其變換
2.4.1方框圖
自動控制原理
2.4.2方框圖的等效變換
2.5信號流圖及其應(yīng)用
2.5.1信號流圖的定義與術(shù)語
2.5.2信號流圖的基本性質(zhì)
2.5.3信號流圖的繪制
2.5.4信號流圖的梅森公式
2.6控制系統(tǒng)的典型傳遞函數(shù)
2.6.1系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)
2.6.2系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)
2.6.3系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)
2.7用Matlab處理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
2.7.1多項(xiàng)式求根
2.7.2傳遞函數(shù)
2.7.3零極點(diǎn)模型
2.7.4方框圖
本章小結(jié)
習(xí)題
3 控制系統(tǒng)的時域分析
3.1典型輸入信號
3.2線性定常系統(tǒng)的時域響應(yīng)與性能指標(biāo)
3.2.1線性定常系統(tǒng)的時域響應(yīng)
3.2.2控制系統(tǒng)時域響應(yīng)的性能指標(biāo)
3.3一階系統(tǒng)的時域響應(yīng)
3.3.1一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
3.3.2一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)
3.3.3線性定常系統(tǒng)的重要特性
3.4二階系統(tǒng)的時域響應(yīng)
3.4.1二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
3.4.2二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
3.4.3二階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)
3.4.4二階系統(tǒng)的斜坡響應(yīng)
3.5高階系統(tǒng)的時域響應(yīng)
3.5.1高階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)
3.5.2閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)
3.6線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性
3.6.1控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念與條件
3.6.2線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件
3.6.3勞斯穩(wěn)定判據(jù)
3.6.4勞斯穩(wěn)定判據(jù)的特殊情況
3.6.5赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)
3.6.6穩(wěn)定判據(jù)的應(yīng)用
3.6.7相對穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度
3.7系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差
3.7.1誤差及穩(wěn)態(tài)誤差的基本概念
3.7.2系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的計算
3.7.3動態(tài)誤差系數(shù)
3.7.4改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的途徑
3.8用Matlab和Simulink進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析
3.8.1單位脈沖響應(yīng)
3.8.2單位階躍響應(yīng)
3.8.3斜坡響應(yīng)
3.8.4任意函數(shù)作用下系統(tǒng)的響應(yīng)
本章小結(jié)
習(xí)題
4 根軌跡法
4.1根軌跡法的概念
4.2根軌跡方程
4.3常規(guī)根軌跡及其繪制
4.3.1根軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)
4.3.2根軌跡的分支數(shù)、對稱性和連續(xù)性
4.3.3根軌跡的漸近線
4.3.4實(shí)軸上的根軌跡
4.3.5根軌跡的分離點(diǎn)
4.3.6根軌跡的出射角與入射角
4.3.7根軌跡與虛軸的交點(diǎn)
4.3.8閉環(huán)極點(diǎn)的和與積
4.3.9開環(huán)根軌跡增益Kg的求取
4.3.10繪制根軌跡的一般步驟
4.4廣義根軌跡及其繪制
4.4.1參數(shù)根軌跡
4.4.2零度根軌跡
4.5用根軌跡分析控制系統(tǒng)
4.5.1基于根軌跡的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
4.5.2基于根軌跡的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析
4.5.3基于根軌跡的系統(tǒng)動態(tài)性能分析
4.5.4增加零、極點(diǎn)對根軌跡的影響
4.6用Matlab繪制根軌跡
本章小結(jié)
習(xí)題
5 控制系統(tǒng)的頻域分析
5.1頻率特性的基本概念
5.1.1頻率特性的概念
5.1.2頻率特性的表示方法
5.2典型環(huán)節(jié)的頻率特性
5.2.1比例環(huán)節(jié)的頻率特性
5.2.2慣性環(huán)節(jié)的頻率特性
5.2.3積分環(huán)節(jié)的頻率特性
5.2.4微分環(huán)節(jié)的頻率特性
5.2.5振蕩環(huán)節(jié)的頻率特性
5.2.6二階微分環(huán)節(jié)的頻率特性
5.2.7時滯環(huán)節(jié)的頻率特性
5.3系統(tǒng)開環(huán)頻率特性
5.3.1開環(huán)幅相頻率特性曲線的繪制
5.3.2開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線的繪制
5.3.3開環(huán)對數(shù)幅頻特性低頻段特點(diǎn)與系統(tǒng)型別的關(guān)系
5.3.4最小相位系統(tǒng)和非最小相位系統(tǒng)
5.4奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)
5.4.1輻角原理
5.4.2奈氏判據(jù)
5.4.3奈氏判據(jù)在Bode圖中的應(yīng)用
5.5控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性
5.5.1相位裕度
5.5.2增益裕度
5.5.3開環(huán)對數(shù)頻率特性與相對穩(wěn)定性的關(guān)系
5.6閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性
5.6.1開環(huán)頻率特性與閉環(huán)頻率特性的關(guān)系
5.6.2 等M圓圖和等N圓圖
5.6.3尼柯爾斯圖線
5.6.4非單位反饋系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性
5.7頻域性能指標(biāo)與時域性能指標(biāo)的關(guān)系
5.7.1開環(huán)頻域性能指標(biāo)和時域性能指標(biāo)的關(guān)系
5.7.2閉環(huán)頻域性能指標(biāo)與時域性能指標(biāo)的關(guān)系
5.8用Matlab進(jìn)行頻域分析
5.8.1頻率特性圖的繪制
5.8.2相位裕度和增益裕度的計算
5.8.3諧振峰值、諧振頻率和系統(tǒng)帶寬的計算
本章小結(jié)
習(xí)題
6 控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計
6.1控制系統(tǒng)校正的概念
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比例加微分（PD）控制規(guī)律
6.2.3積分（I）控制規(guī)律
6.2.4比例加積分（PI）控制規(guī)律
6.2.5比例加積分加微分（PID）控制規(guī)律
6.3常用校正裝置及其特性
6.3.1相位超前校正裝置
6.3.2相位滯后校正裝置
6.3.3相位滯后?超前校正裝置
6.4頻率法串聯(lián)校正
6.4.1超前校正
6.4.2滯后校正
6.4.3滯后?超前校正
6.4.4按系統(tǒng)期望頻率特性進(jìn)行校正
6.5根軌跡法串聯(lián)校正
6.5.1超前校正
6.5.2滯后校正
6.5.3滯后?超前校正
6.6反饋校正及其參數(shù)確定
6.6.1反饋的功能
6.6.2根軌跡法確定反饋校正參數(shù)
6.7用Matlab進(jìn)行控制系統(tǒng)的校正
6.7.1相位超前校正裝置
6.7.2相位滯后校正裝置
6.7.3滯后?超前校正裝置
本章小結(jié)
習(xí)題
7 非線性控制系統(tǒng)
7.1非線性系統(tǒng)概述
7.1.1典型非線性特性
7.1.2非線性系統(tǒng)的基本特征
7.1.3非線性系統(tǒng)的分析方法
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用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性
7.3相平面法
7.3.1相平面法的基本概念
7.3.2相軌跡的繪制
7.3.3相平面分析
7.4用Matlab進(jìn)行非線性控制系統(tǒng)分析
本章小結(jié)
習(xí)題
8 離散控制系統(tǒng)
8.1離散系統(tǒng)的基本概念
8.1.1離散控制系統(tǒng)的定義
8.1.2離散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
8.1.3離散控制系統(tǒng)的研究方法
8.2信號的采樣與保持
8.2.1采樣過程及其數(shù)學(xué)描述
8.2.2采樣定理
8.2.3信號的復(fù)現(xiàn)與零階保持器
8.3z變換理論
8.3.1z變換的定義
8.3.2z變換的方法
8.3.3z變換基本定理
8.3.4z反變換
8.4離散控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
8.4.1差分方程
8.4.2脈沖傳遞函數(shù)
8.4.3差分方程和脈沖傳遞函數(shù)的關(guān)系
8.5離散控制系統(tǒng)的分析
8.5.1離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性
8.5.2離散控制系統(tǒng)的動態(tài)性能分析
8.5.3離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差
8.6離散控制系統(tǒng)的數(shù)字校正
8.6.1數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)
8.6.2最少拍系統(tǒng)設(shè)計
8.7應(yīng)用Matlab分析離散控制系統(tǒng)
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   一般地，假若距虛軸較遠(yuǎn)的閉環(huán)極點(diǎn)的實(shí)部與距離虛軸最近的閉環(huán)極點(diǎn)的實(shí)部的比值大于或等于5，且在距離虛軸最近的閉環(huán)極點(diǎn)附近不存在閉環(huán)零點(diǎn)，則這個離虛軸最近的閉環(huán)極點(diǎn)將在系統(tǒng)的過渡過程中起主導(dǎo)作用，稱為閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)。它常以一對共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)的形式出現(xiàn)。 應(yīng)用閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的概念，常?？砂迅唠A系統(tǒng)近似地看成具有一對共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)的二階系統(tǒng)來研究。需要注意的是，將高階系統(tǒng)化為具有一對閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的二階系統(tǒng)時，要忽略非主導(dǎo)極點(diǎn)引起的過渡過程暫態(tài)分量，而不是忽略非主導(dǎo)極點(diǎn)本身，這樣，既能簡化對高階系統(tǒng)過渡過程的分析，同時又能準(zhǔn)確地反映高階系統(tǒng)的特性。 需要指出的是，應(yīng)用閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的概念分析、設(shè)計控制系統(tǒng)，雖能使分析和設(shè)計工作得到簡化，且易于進(jìn)行，但必須滿足應(yīng)用閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的條件，否則，高階系統(tǒng)不能近似為二階系統(tǒng)。這時，高階系統(tǒng)的過渡過程必須具體求解。 3.6 線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性 穩(wěn)定是控制系統(tǒng)的重要性能，也是系統(tǒng)正常工作的首要條件。分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，研究系統(tǒng)穩(wěn)定的條件，是控制理論的重要組成部分。 3.6.1 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念與條件 一個穩(wěn)定的系統(tǒng)在受到擾動作用后，都有可能會偏離原來的平衡狀態(tài)。所謂穩(wěn)定性，是指在擾動消除后，系統(tǒng)由初始偏差狀態(tài)恢復(fù)到原平衡狀態(tài)的性能。對于一個控制系統(tǒng)，假設(shè)其具有一個平衡狀態(tài)，如果系統(tǒng)受到有界擾動作用偏離了原平衡點(diǎn)，在擾動消除后，經(jīng)過一段時間，系統(tǒng)又能逐漸回到原來的平衡狀態(tài)，則稱該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則，稱這個系統(tǒng)不穩(wěn)定。 穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)自身的固有特性，它取決于系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與輸入信號無關(guān)。對于純線性系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的穩(wěn)定性與初始偏差也無關(guān)，如果系統(tǒng)是穩(wěn)定的，就稱為大范圍穩(wěn)定的系統(tǒng)。但這種純線性系統(tǒng)在實(shí)際中并不存在，人們所研究的系統(tǒng)大多是經(jīng)過“小偏差”線性處理后得到的線性系統(tǒng)，因此，用線性化方程來研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性時，就只限于討論初始偏差不超過某一范圍時的穩(wěn)定性，即“小偏差”穩(wěn)定性。由于實(shí)際系統(tǒng)在發(fā)生等幅振蕩時的幅值一般并不很大，因此，這種“小偏差？穩(wěn)定性仍有一定的實(shí)際意義。以下討論的都是線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，這種穩(wěn)定性是指大范圍的穩(wěn)定性，但當(dāng)考慮其所對應(yīng)的實(shí)際系統(tǒng)時，則要求初始偏差所引起的系統(tǒng)中諸信號的變化均不超出其線性化范圍。 控制理論中所討論的穩(wěn)定性都是指自由振蕩下的穩(wěn)定性，即系統(tǒng)輸入為零、初始偏差不為零時的穩(wěn)定性，也就是討論自由振蕩是收斂還是發(fā)散的問題。

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