自動(dòng)控制原理

前言

我國高等教育已經(jīng)發(fā)展到大眾化教育的新階段。隨著國家工業(yè)化建設(shè)的迅猛發(fā)展，電氣信息類專業(yè)技術(shù)人才的需求也日益增大。為了適應(yīng)人才培養(yǎng)的這種新形勢，跟蹤科學(xué)技術(shù)的前沿進(jìn)展，我們根據(jù)教育部面向21世紀(jì)電氣信息類課程改革的要求，結(jié)合湖南大學(xué)和兄弟院校長期教學(xué)教改的經(jīng)驗(yàn)，為大學(xué)電氣信息類本科生編寫了這套教材。電氣信息類課程是培養(yǎng)電類專業(yè)人才的基礎(chǔ)課程，大量概念、理論、方法和工程案例構(gòu)成了一個(gè)完整的技術(shù)知識體系。學(xué)生要開啟心智、培育形成電類專業(yè)思維、打下電類專業(yè)人才的技術(shù)知識基礎(chǔ)，必須系統(tǒng)地扎實(shí)地學(xué)好這些課程。為此，我們在組織編寫這套教材時(shí)，特別注意了以下幾個(gè)方面：一是保證基礎(chǔ)。作為大學(xué)基礎(chǔ)課程，應(yīng)確保基本概念、基本原理和基本方法的學(xué)習(xí)。只有透徹地理解和掌握了基礎(chǔ)知識，才能順利地進(jìn)入電氣信息技術(shù)領(lǐng)域的大門，才有可能進(jìn)一步深造。二是跟蹤新技術(shù)。電氣信息技術(shù)發(fā)展日新月異，大學(xué)教材必須及時(shí)吸納最新技術(shù)，使學(xué)生了解學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)。本套教材一方面注意反映學(xué)科各方面的最新進(jìn)展，安排了擴(kuò)充閱讀的相關(guān)文獻(xiàn)題錄，指引學(xué)生直接接觸學(xué)科前沿；另一方面還根據(jù)學(xué)科與技術(shù)的發(fā)展趨勢，對經(jīng)典知識進(jìn)行重新組織編排。本套教材還將及時(shí)再版，及時(shí)更新內(nèi)容，確保與時(shí)俱進(jìn)，始終處于技術(shù)發(fā)展的最前沿。三是注重應(yīng)用。電氣與信息理論源于工程實(shí)踐，源于科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明，就像藝術(shù)源于生活一樣。本套教材在講述基本理論的同時(shí)，注重聯(lián)系工程實(shí)際，并把作者的研究成果應(yīng)用到其中。在正文、例題和習(xí)題中，特意安排了大量工程實(shí)用問題，通過理論和工程實(shí)際的結(jié)合，使學(xué)生學(xué)到知識并掌握方法。四是文理滲透、啟發(fā)誘導(dǎo)。為了提升素質(zhì)，開闊視野，培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新意識，理工科學(xué)生應(yīng)適當(dāng)了解與學(xué)科相關(guān)的課程外知識。為此，在許多教材中精心安排了“擴(kuò)展與思考”的內(nèi)容，以使學(xué)生從中體會(huì)科學(xué)思想、科學(xué)方法以及科技與人文、科學(xué)與藝術(shù)相互交融的精神和境界。五是部分教材以多媒體CAI課件配合。這樣可以將重要的知識點(diǎn)以生動(dòng)形象的畫面表現(xiàn)出來，深化認(rèn)識，提高學(xué)習(xí)效果，也便于課堂教學(xué)。本套教材經(jīng)過充分研討和論證，聘請各院校教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富、科研基礎(chǔ)深厚的教授和副教授擔(dān)任主編和編寫者，是湖南所有電氣信息類院校團(tuán)結(jié)協(xié)作的成果，是全省最優(yōu)秀的電氣信息工程學(xué)科專家學(xué)者集體智慧的結(jié)晶。本套教材的編寫和出版，得到了湖南大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、湘潭大學(xué)、湖南師范大學(xué)、長沙理工大學(xué)、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)、湖南科技大學(xué)、南華大學(xué)、株洲工學(xué)院、湖南工程學(xué)院、吉首大學(xué)、湖南商學(xué)院、湖南理工學(xué)院、湖南城市學(xué)院、湖南文理學(xué)院、邵陽學(xué)院、懷化學(xué)院、零陵學(xué)院、長沙學(xué)院、湖南工學(xué)院（籌）等高校的通力合作，得到了湖南大學(xué)出版社的支持和幫助，在此一并表示衷心感謝。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)地介紹了自動(dòng)控制原理的基本理論及其應(yīng)用。第1章深入淺出地介紹了自動(dòng)控制原理的基本概念、基本分類及自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷史。第2章以機(jī)械、電氣系統(tǒng)等實(shí)際對象為例，介紹控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方法。第3章到第6章針對線性定?？刂葡到y(tǒng)，介紹時(shí)域分析法、根軌跡法、頻域分析法以及控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計(jì)方法。其中第3章討論二階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)和相應(yīng)的性能指標(biāo)，以及用于穩(wěn)定性分析的勞斯判據(jù)；第4章介紹根軌跡的原理、作圖方法和基于根軌跡的系統(tǒng)分析；第5章介紹控制系統(tǒng)分析的頻域方法，討論基于奈奎斯特圖和基于對數(shù)坐標(biāo)的頻率特性圖的繪制及其在系統(tǒng)性能分析和穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用；第6章針對單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)，介紹基于根軌跡和頻域方法的控制系統(tǒng)校正和設(shè)計(jì)方法。第7章主要討論描述函數(shù)法、相平面法等常用的非線性系統(tǒng)分析方法。第8章介紹線性離散系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差以及動(dòng)態(tài)性能分析方法等。    本書可用作高等學(xué)校電氣信息類各專業(yè)《自動(dòng)控制原理》課程的教材，也可作為有關(guān)工程技術(shù)人員參考使用。

書籍目錄

第1章  緒  論  1.1  引言  1.2  自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)    1.2.1  開環(huán)控制系統(tǒng)    1.2.2  閉環(huán)控制景統(tǒng)一  1.3  自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類    1.3.1  按系統(tǒng)輸入信號的變化規(guī)律分類    1.3.2  按系統(tǒng)的響應(yīng)特性分類  1.4  控制系統(tǒng)性能的基本要求和典型輸入信號    1.4.1  控制系統(tǒng)性能的基本要求的提法    1.4.2  典型輸入信號  1.5  基于MATLAB的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)  本章小結(jié)  習(xí)題第2章  控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型  2.1  控制系統(tǒng)微分方程的建立    2.1.1  列寫系統(tǒng)或元件微分方程的一般方法    2.1.2  非線性數(shù)學(xué)模型的線性化  2.2  控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)    2.2.1  傳遞函數(shù)的概念    2.2.2  傳遞函數(shù)的表達(dá)式和性質(zhì)    2.2.3  傳遞函數(shù)的求法    2.2.4  典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)  2.3  控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖與信號流圖    2.3.1  傳遞函數(shù)方框圖的建立    2.3.2  方框圖的等效變換規(guī)則    2.3.3  典型閉環(huán)系統(tǒng)方框圖及其傳遞函數(shù)    2.3.4  信號流圖與梅遜公式  2.4  數(shù)學(xué)模型的實(shí)驗(yàn)測定法  2.5  MATLAB在求解線性微分方程及系統(tǒng)方框圖化簡中的應(yīng)用    2.5.1  MATLAB在求解線性微分方程中的應(yīng)用    2.5.2  MATLAB在系統(tǒng)方框圖化簡中的應(yīng)用  本章小結(jié)  習(xí)題第3章  線性定常系統(tǒng)的時(shí)域分析  3.1  時(shí)域分析的性能指標(biāo)    3.1.1  典型輸入信號作用下系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)    3.1.2  時(shí)域響應(yīng)的性能指標(biāo)  3.2  一階系統(tǒng)的時(shí)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  時(shí)間常數(shù)T的求法    3.2.4  減小時(shí)間常數(shù)的措施  3.3  二階系統(tǒng)的時(shí)域分析    3.3.1  典型的數(shù)學(xué)模型    3.3.2  單位階躍響應(yīng)    3.3.3  欠阻尼響應(yīng)的性能指標(biāo)    3.3.4  實(shí)際二階系統(tǒng)    3.3.5  改善欠阻尼響應(yīng)性能指標(biāo)的措施  3.4  穩(wěn)定性分析    3.4.1  穩(wěn)定的概念和穩(wěn)定的條件    3.4.2  勞斯判據(jù)  3.5  穩(wěn)態(tài)性能分析    3.5.1  誤差與穩(wěn)態(tài)誤差    3.5.2  給定輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差    3.5.3  擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差    3.5.4  用動(dòng)態(tài)誤差系數(shù)表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差    3.5.5  降低穩(wěn)態(tài)誤差的措施  3.6  MATLAB在系統(tǒng)時(shí)域分析中的應(yīng)用    3.6.1  MATLAB在分析系統(tǒng)穩(wěn)定性中的應(yīng)用    3.6.2  MATLAB在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析中的應(yīng)用    3.6.3  系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的求法  本章小結(jié)  習(xí)題第4章  根軌跡法  4.1  根軌跡的概念與根軌跡方程    4.1.1  根軌跡    4.1.2  根軌跡方程  4.2  繪制根軌跡的基本規(guī)則及根軌跡的繪制    4.2.1  繪制根軌跡的基本規(guī)則    4.2.2  根軌跡的繪制  4.3  廣義根軌跡    4.3.1  參數(shù)根軌跡    4.3.2  多回路的根軌跡    4.3.3  正反饋回路的根軌跡    4.3.4  遲后系統(tǒng)的根軌跡  4.4  利用根軌跡分析系統(tǒng)的性能    4.4.1  主導(dǎo)極點(diǎn)的概念    4.4.2  增加開環(huán)零點(diǎn)對根軌跡的影響    4.4.3  根軌跡增益的確定及系統(tǒng)性能的分析  4.5  利用MATLAB繪制根軌跡圖    4.5.1  常規(guī)根軌跡的繪制    4.5.2  零度根軌跡的繪制  本章小結(jié)  習(xí)題第5章  頻域分析法  5.1  頻率特性    5.1.1  頻率特性的概念    5.1.2  頻率特性與傳遞函數(shù)的關(guān)系    5.1.3  頻率特性圖示方法  5.2  典型環(huán)節(jié)的頻率特性  5.3  系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性    5.3.1  開環(huán)幅相頻率特性（極坐標(biāo)圖）    5.3.2  開環(huán)對數(shù)頻率特性（Bode圖）    5.3.3  開環(huán)對數(shù)幅相頻率特性（Nichols圖）  5.4  Nyquist穩(wěn)定判據(jù)    5.4.1  數(shù)學(xué)基礎(chǔ)    5.4.2  Nyquist穩(wěn)定判據(jù)    5.4.3  Nyquist穩(wěn)定判據(jù)在Bode圖上的應(yīng)用  5.5  系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性  5.6  系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性  5.7  系統(tǒng)頻域指標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系  5.8  頻率特性的實(shí)驗(yàn)測定法  5.9  MATLAB在頻域分析中的應(yīng)用    5.9.1  應(yīng)用MATLAB繪制Bode圖    5.9.2  應(yīng)用MATLAB繪制Nyquist圖  本章小結(jié)  習(xí)題第6章  控制系統(tǒng)的綜合與校正  6.1  系統(tǒng)校正與綜合概述    6.1.1  控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟    6.1.2  性能指標(biāo)    6.1.3  校正方式    6.1.4  校正方法  6.2  基本控制規(guī)律簡介  6.3  常用校正裝置及其特性    6.3.1  無源校正裝置    6.3.2  有源校正裝置  6.4  串聯(lián)校正裝置的頻域設(shè)計(jì)    6.4.1  串聯(lián)超前校正裝置    6.4.2  串聯(lián)滯后校正裝置    6.4.3  串聯(lián)滯后—超前校正  6.5  反饋校正  6.6  根軌跡法在系統(tǒng)校正中的應(yīng)用    6.6.1  超前校正    6.6.2  串聯(lián)滯后校正  6.7  MATLAB在系統(tǒng)校正中的應(yīng)用  本章小結(jié)  習(xí)題第7章  非線性控制系統(tǒng)分析  7.1  非線性系統(tǒng)的基本概念  7.2  常見非線性特性及其對系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的影響    7.2.1  飽和特性    7.2.2  死區(qū)特性    7.2.3  間隙特性    7.2.4  繼電特性    7.2.5  非線性系統(tǒng)的分析方法  7.3  相平面法    7.3.1  相軌跡及其繪制方法    7.3.2  非線性系統(tǒng)的相平面分析  7.4  描述函數(shù)法    7.4.1  描述函數(shù)的概念    7.4.2  典型非線性特性的描述函數(shù)    7.4.3  用描述函數(shù)分析非線性系統(tǒng)  本章小結(jié)  習(xí)題第8章  線性離散系統(tǒng)  8.1  概述    8.1.1  離散控制系統(tǒng)的組成    8.1.2  離散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)  8.2  信號的采樣與采樣定理    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  信號恢復(fù)  8.4  Z變換    8.4.1  Z變換的定義    8.4.2  Z變換的求法    8.4.3  Z變換的性質(zhì)    8.4.4  Z反變換  8.5  離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型    8.5.1  離散系統(tǒng)的線性差分方程    8.5.2  脈沖傳遞函數(shù)  8.6  離散控制系統(tǒng)分析    8.6.1  線性離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析    8.6.2  線性離散控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析    8.6.3  線性離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能分析    8.6.4  MATLAB在離散系統(tǒng)中的應(yīng)用  本章小結(jié)  習(xí)題附錄  常用數(shù)學(xué)工具  附1  拉普拉斯變換  附2  Z變換參考文獻(xiàn).

章節(jié)摘錄

插圖：自動(dòng)控制理論是自動(dòng)化學(xué)科的重要理論基礎(chǔ)，本章將專門研究自動(dòng)控制系統(tǒng)中的基本概念、基本原理和基本方法。本章介紹自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求等問題。1.1 引言自動(dòng)控制作為技術(shù)改造和技術(shù)發(fā)展的重要手段，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防乃至日常生活和社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域中都起著極其重要的作用。尤其近幾十年來，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在宇宙航行、機(jī)器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及核動(dòng)力等高新技術(shù)領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)更具有特別重要的作用，不僅如此，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍現(xiàn)已擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其他許多社會(huì)生活領(lǐng)域中，自動(dòng)控制已成為現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)中不可缺少的重要組成部分。所謂自動(dòng)控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。按照上述定義，自動(dòng)控制在生產(chǎn)和生活中的例子舉不勝舉。例如，廚房中的電冰箱能自動(dòng)控制溫度，按照指定的溫度變化；數(shù)控機(jī)床能按照預(yù)定程序自動(dòng)地切削工件；化學(xué)反應(yīng)爐的溫度或壓力能自動(dòng)地維持恒定；人造衛(wèi)星能按照預(yù)定的軌道運(yùn)行并返回地面；無人駕駛飛機(jī)能按照預(yù)定航跡自動(dòng)升降和飛行等，這一切都是以應(yīng)用高水平的自動(dòng)控制技術(shù)為前提的。能夠?qū)Ρ豢刂茖ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)，稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)。它一般包括控制裝置和被控對象兩大部分，而控制裝置是由具有一定職能的各種基本元件組成。自動(dòng)控制理論就是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，隨著工業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科——控制論。控制論包括工程控制論、生物控制論和經(jīng)濟(jì)控制論。工程控制論主要研究自動(dòng)控制系統(tǒng)中的信息變換和傳送的一般理論及其在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。而自動(dòng)控制原理則僅僅是工程控制論的一個(gè)分支，主要用于工業(yè)控制論。第二次世界大戰(zhàn)期間，對于軍用裝備如飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用裝備的設(shè)計(jì)與制造的強(qiáng)烈需求，進(jìn)一步促進(jìn)并完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。第二次世界大戰(zhàn)后，由于生產(chǎn)和軍事的需要，自動(dòng)控制技術(shù)開始迅速地發(fā)展起來。到20世紀(jì)50年代末期，自動(dòng)控制理論已形成完整的理論體系，即經(jīng)典控制理論，它是以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具，采用頻率域方法，研究“單輸入-單輸出”的線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題，但存在一定的局限性，即對復(fù)雜多變量系統(tǒng)、時(shí)變和非線性系統(tǒng)顯得無能為力。

編輯推薦

《自動(dòng)控制原理(第2版)》：高等學(xué)校電氣信息類規(guī)劃教材。

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