自動(dòng)控制理論

前言

自動(dòng)控制技術(shù)起源于20世紀(jì)中葉，大約有50多年的歷史。自動(dòng)控制技術(shù)以自動(dòng)控制理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為手段，解決了一系列高科技難題，為人類的文明和進(jìn)步作出了重要貢獻(xiàn)。諸如宇宙航行、導(dǎo)彈制導(dǎo)與防御、萬米深海探測(cè)和火星表面探測(cè)；在工業(yè)生產(chǎn)過程中諸如對(duì)壓力、溫度、濕度、流量、頻率及原料、燃料成分比例控制都離不開自動(dòng)控制技術(shù)。隨著自動(dòng)控制技術(shù)需求量的不斷增長(zhǎng)，自動(dòng)控制理論本身也取得了顯著進(jìn)步。線性控制系統(tǒng)理論日臻成熟；非線性系統(tǒng)的研究取得了突破性進(jìn)展；離散系統(tǒng)的描述和分析能力得到加強(qiáng)；不確定性的H控制及系統(tǒng)對(duì)外擾動(dòng)的魯棒性分析和設(shè)計(jì)已擴(kuò)展到無窮維空間。自適應(yīng)、自校正、自組織系統(tǒng)的研究和應(yīng)用又有了新的發(fā)展。由于自動(dòng)控制技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的廣泛滲透，在科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的發(fā)展進(jìn)程中，發(fā)揮著越來越重要的作用，“自動(dòng)控制理論”已逐漸成為高等學(xué)校許多學(xué)科共同的專業(yè)基礎(chǔ)課，且越來越占有重要的位置。根據(jù)編者多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)控制理論教材雖然較多，但在內(nèi)容的編排順序和例題的選材上或多或少存在不足，缺少新理論、新知識(shí)、新的控制手段的補(bǔ)充。鑒于此，決定編寫《自動(dòng)控制理論》一書，力求奉獻(xiàn)給讀者一本較完美的自動(dòng)控制理論教科書。本書的主要特點(diǎn)是：主動(dòng)適應(yīng)教學(xué)改革的需要和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)對(duì)人才培養(yǎng)的要求；在內(nèi)容的編排上適合自主學(xué)習(xí)；體現(xiàn)自動(dòng)化類教材與國(guó)際接軌，面向世界、面向未來、面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)的辦學(xué)指導(dǎo)思想。另外，我們還將本書制作成多媒體課件，以適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)手段教學(xué)的需要。供不同類型、不同層次的學(xué)校選用。在經(jīng)典控制理論中，主要介紹了線性控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；時(shí)域法、根軌跡法、頻域法及控制系統(tǒng)的校正等；其次還介紹了采樣系統(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(dòng)態(tài)性能分析及校正問題。非線性控制系統(tǒng)理論日益受到重視，本書在第8章對(duì)此作了較為詳細(xì)的介紹。在第9章“狀態(tài)空間法”中介紹了狀態(tài)方程、狀態(tài)反饋控制和狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)方法。為了便于教師授課和學(xué)生自學(xué)，書中配有各種類型的例題，每章附有大量習(xí)題。本書由王艷秋教授，王立紅、楊匯軍等副教授編著。全書共分8章，前言及第1、第3、第5章由王艷秋執(zhí)筆，第2、第8、第9章由王立紅執(zhí)筆，第4、第6章由楊匯軍執(zhí)筆，第7章由王艷秋、王立紅執(zhí)筆，研究生趙麗麗也參加了本書的編寫工作，全書由王艷秋教授統(tǒng)稿。本書在編寫過程中參考了很多優(yōu)秀教材和著作，在此向收錄于參考文獻(xiàn)中的各位作者表示真誠(chéng)的謝意。書中不妥之處在所難免，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　《自動(dòng)控制理論》較為全面地闡述了經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的基本概念、原理及其各種分析方法。書中深入淺出地介紹了線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、時(shí)域法、根軌跡法、頻域法、控制系統(tǒng)的綜合和校正、采樣控制系統(tǒng)分析法、非線性控制系統(tǒng)分析法和狀態(tài)空間法?！蹲詣?dòng)控制理論》盡可能全面地配備了各種類型的例題、習(xí)題。此外還編寫了與教材配套的《自動(dòng)控制理論習(xí)題詳解》。 　　《自動(dòng)控制理論》可作為高等學(xué)校電氣信息、儀器儀表、電子信息、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、化工、航天航空等專業(yè)的教材，也可作為相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員的參考書。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 引言1.2 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 	1.2.1 開環(huán)控制系統(tǒng)1.2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型1.4.1 線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)1.4.2 連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)1.4.3 恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)1.4.4 定?？刂葡到y(tǒng)和時(shí)變控制系統(tǒng)1.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例習(xí)題第2章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.1 系統(tǒng)微分方程的建立2.2 非線性微分方程的線性化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)的性質(zhì)2.3.3 典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)2.4 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.4.1 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的組成2.4.2 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的繪制2.4.3 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的等效變換2.4.4 閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.4.5 結(jié)構(gòu)圖等效變換舉例2.5 信號(hào)流圖2.5.1 信號(hào)流圖的組成2.5.2 信號(hào)流圖的繪制2.5.3 梅森公式習(xí)題第3章 時(shí)域法3.1 典型輸入函數(shù)和時(shí)域性能指標(biāo)3.1.1 系統(tǒng)的穩(wěn)定性3.1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型輸入信號(hào)3.1.3 時(shí)域性能指標(biāo)3.2 一階系統(tǒng)的時(shí)域分析3.2.1 一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型3.2.2 一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)3.3 二階系統(tǒng)的時(shí)域分析3.3.1 二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型3.3.2 二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)3.3.3 二階欠阻尼系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)3.3.4 二階系統(tǒng)特征參數(shù)與暫態(tài)性能指標(biāo)之間的關(guān)系3.3.5 二階系統(tǒng)工程最佳參數(shù)3.3.6 二階系統(tǒng)計(jì)算舉例3.4 高階系統(tǒng)的時(shí)域分析3.5 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析3.5.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念3.5.2 穩(wěn)定判據(jù)3.6 穩(wěn)態(tài)誤差3.6.1 穩(wěn)態(tài)誤差的定義3.6.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型3.6.3 給定輸入作用下穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)和穩(wěn)態(tài)誤差分析3.6.4 擾動(dòng)輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差分析3.6.5 減小穩(wěn)態(tài)誤差的方法習(xí)題第4章 根軌跡法4.1 根軌跡的基本概念4.1.1 根軌跡4.1.2 根軌跡方程4.2 繪制根軌跡的基本法則4.2.1 根軌跡的基本法則4.2.2 根軌跡的繪制與分析4.3 參數(shù)根軌跡的繪制4.4 零度根軌跡的繪制4.5 利用根軌跡分析系統(tǒng)性能4.5.1 暫態(tài)響應(yīng)性能分析4.5.2 主導(dǎo)極點(diǎn)與偶極子4.5.3 根軌跡分析習(xí)題第5章 頻域法5.1 頻率特性5.2 頻率特性的表示方法5.2.1 幅相頻率特性的表示方法5.2.2 對(duì)數(shù)幅相頻率特性的表示方法5.3 典型環(huán)節(jié)的頻率特性5.4 開環(huán)頻率特性的繪制5.4.1 開環(huán)幅相頻率特性的繪制5.4.2 開環(huán)對(duì)數(shù)幅相頻率特性的繪制5.5 用頻率法分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性5.5.1 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)5.5.2 系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度5.6 閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性5.6.1 閉環(huán)頻率特性曲線的繪制5.6.2 閉環(huán)系統(tǒng)等M圓、等Ⅳ圓及尼科爾斯圖5.7 系統(tǒng)暫態(tài)特性和閉環(huán)頻率特性的關(guān)系5.8 開環(huán)頻率特性與系統(tǒng)階躍響應(yīng)的關(guān)系習(xí)題第6章 控制系統(tǒng)的校正6.1 引言6.1.1 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)與校正概念6.1.2 校正方式6.1.3 基本校正規(guī)律6.1.4 校正方法6.1.5 用頻率法校正的特點(diǎn)6.2 校正裝置6.2.1 超前校正裝置6.2.2 滯后校正裝置6.2.3 滯后-超前校正裝置6.2.4 期望的對(duì)數(shù)頻率特性6.3 串聯(lián)校正6.3.1 串聯(lián)超前校正6.3.2 串聯(lián)滯后校正6.3.3 串聯(lián)滯后-超前校正6.4 反饋校正6.4.1 反饋校正的原理6.4.2 反饋校正的作用6.4.3 反饋校正裝置的設(shè)計(jì)6.5 復(fù)合校正6.5.1 反饋與按輸入前饋的復(fù)合控制6.5.2 反饋與按擾動(dòng)前饋的復(fù)合控制習(xí)題第7章 采樣控制系統(tǒng)分析法7.1 采樣控制系統(tǒng)的基本概念7.1.1 采樣控制系統(tǒng)7.1.2 數(shù)字控制系統(tǒng)7.2 采樣過程與采樣定理7.2.1 采樣過程7.2.2 采樣信號(hào)的頻譜7.2.3 采樣定理7.2.4 信號(hào)的復(fù)現(xiàn)7.3 z變換7.3.1 z變換的定義7.3.2 z變換的求法7.3.3 z變換的性質(zhì)7.4 z反變換7.5 羞分方程7.5.1 差分方程概述7.5.2 差分方程的解法7.6 脈沖傳遞函數(shù)7.6.1 脈沖傳遞函數(shù)的定義7.6.2 開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)7.6.3 閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)7.6.4 應(yīng)用變換法分析系統(tǒng)的條件7.7 采樣系統(tǒng)的性能分析7.7.1 采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性7.7.2 采樣系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的關(guān)系7.7.3 采樣系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差7.8 最少拍采樣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)習(xí)題第8章 非線性控制系統(tǒng)分析法8.1 概述8.1.1 非線性系統(tǒng)的研究方法8.1.2 典型非線性環(huán)節(jié)8.1.3 非線性系統(tǒng)的特點(diǎn)8.2 描述函數(shù)法8.2.1 描述函數(shù)的基本概念8.2.2 典型非線性特性的描述函數(shù)8.2.3 非線性系統(tǒng)的簡(jiǎn)化8.3 用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)8.3.1 穩(wěn)定性判據(jù)8.3.2 自激振蕩8.3.3 用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)8.4 相平面法8.4.1 相平面圖8.4.2 相軌跡和相平面圖的性質(zhì)8.4.3 奇點(diǎn)的類型8.4.4 相平面圖中的極限環(huán)8.4.5 由相平面圖求時(shí)間響應(yīng)8.5 相軌跡的繪制方法8.5.1 解析法8.5.2 圖解法8.6 非線性系統(tǒng)的相平面分析8.6.1 死區(qū)型非線性系統(tǒng)8.6.2 繼電器非線性系統(tǒng)8.7 非線性系統(tǒng)的校正8.7.1 對(duì)線性部分進(jìn)行校正8.7.2 改變非線性特性習(xí)題第9章 狀態(tài)空間法9.1 基本概念9.1.1 幾個(gè)定義9.1.2 狀態(tài)空間表達(dá)式的一般形式9.2 狀態(tài)空間表達(dá)式的建立9.2.1 由微分方程建立狀態(tài)空間表達(dá)式9.2.2 由傳遞函數(shù)建立狀態(tài)空間表達(dá)式9.3 組合系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式9.3.1 并聯(lián)連接9.3.2 串聯(lián)連接9.3.3 反饋連接9.4 狀態(tài)方程的線性變換9.4.1 系統(tǒng)的特征值及其不變性9.4.2 將狀態(tài)方程化為對(duì)角標(biāo)準(zhǔn)形9.4.3 將狀態(tài)方程化為約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)形9.5 由狀態(tài)空間表達(dá)式求傳遞函數(shù)矩陣9.5.1傳遞函數(shù)矩陣的概念9.5.2 由狀態(tài)空間表達(dá)式求傳遞函數(shù)矩陣9.6 離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式9.7 線性定常連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程的解9.7.1 齊次狀態(tài)方程的解9.7.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的性質(zhì)9.7.3 e的計(jì)算方法9.7.4 非齊次狀態(tài)方程的解9.8 線性定常系統(tǒng)的能控性和能觀測(cè)性9.8.1 能控性和能觀測(cè)性定義9.8.2 線性定常系統(tǒng)的能控性判據(jù)9.8.3 線性定常系統(tǒng)的能觀測(cè)性判據(jù)9.8.4 單輸入-單輸出系統(tǒng)的能控標(biāo)準(zhǔn)形和能觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)形9.9 狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測(cè)器9.9.1 狀態(tài)反饋9.9.2 狀態(tài)反饋的性質(zhì)9.9.3 狀態(tài)反饋的極點(diǎn)配置9.9.4 狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)9.9.5 帶狀態(tài)觀測(cè)器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)9.10 李亞普諾夫穩(wěn)定性分析9.10.1 李亞普諾夫第二法概述9.10.2 李亞普諾夫穩(wěn)定性定義9.10.3 李亞普諾夫穩(wěn)定性定理9.10.4 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析習(xí)題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：1.1  引言過去的100年是科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的一個(gè)鼎盛時(shí)期，人類的許多期望和夢(mèng)想被科學(xué)家由神話變成現(xiàn)實(shí)。其中，自動(dòng)控制技術(shù)所取得的成就更是令世人矚目，自動(dòng)控制技術(shù)以控制理論為基礎(chǔ).以計(jì)算機(jī)為手段解決了一系列高科技難題，諸如宇宙航行（人造衛(wèi)星能按預(yù)定的軌道運(yùn)行并返回地面、宇宙飛船能準(zhǔn)確地在月球著陸并重返地面）、機(jī)器人行走、導(dǎo)彈制導(dǎo)與防御、萬米深海探測(cè)和火星表面探測(cè)等。自動(dòng)控制技術(shù)在科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的發(fā)展與創(chuàng)新過程中，正在發(fā)揮著越來越重要的作用。從冶金、電力、機(jī)械、化工、航天航空、核反應(yīng)到經(jīng)濟(jì)管理、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境等，自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)滲透到許多學(xué)科和社會(huì)生活領(lǐng)域。自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不但可以提高生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作條件，節(jié)約能源等，而且在人類征服自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和改善人民物質(zhì)生活等方面都起著極為重要的作用。自動(dòng)控制理論是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)，是一門理論性較強(qiáng)的學(xué)科，按自動(dòng)控制理論發(fā)展的不同階段，自動(dòng)控制理論一般可分為“經(jīng)典控制理論”、“現(xiàn)代控制理論”和“智能控制理論”三大部分。“經(jīng)典控制理論”起源于20世紀(jì)中葉，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，“經(jīng)典控制理論”日臻成熟，該理論主要是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題?！敖?jīng)典控制理論”發(fā)展較早，在工程上，也比較成功地解決了諸如伺服系統(tǒng)自動(dòng)控制的實(shí)踐問題。“現(xiàn)代控制理論”起源于20世紀(jì)60年代，是在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和工程實(shí)踐的需要而迅速發(fā)展起來的。它無論在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)，還是在研究方法上都不是經(jīng)典控制理論的簡(jiǎn)單延伸和推廣，而是認(rèn)識(shí)上的一次飛躍?！艾F(xiàn)代控制理論”主要以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出、變參數(shù)、非線性、高精度、高效能等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。最優(yōu)控制、最佳濾波、系統(tǒng)識(shí)別、自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制等理論都是這一領(lǐng)域研究的主要課題。特別是近年來由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)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”又在研究龐大的系統(tǒng)工程的大系統(tǒng)理論和模仿人類智能活動(dòng)的智能控制等方面有了重大發(fā)展。目前，“現(xiàn)代控制理論”正隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異地向前發(fā)展著?！爸悄芸刂啤笔且婚T新興的學(xué)科領(lǐng)域，目前雖未建立起一套完整的智能控制的理論體系，但是關(guān)于智能控制理論的研究日新月異，正在對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。智能控制是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段。智能控制理論主要包括：模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及專家控制等。它主要用來解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。諸如智能機(jī)器人系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）、復(fù)雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)、航天航空控制系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、環(huán)保及能源系統(tǒng)等。

編輯推薦

《自動(dòng)控制理論》的主要特點(diǎn)是：主動(dòng)適應(yīng)教學(xué)改革的需要和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)對(duì)人才培養(yǎng)的要求；在內(nèi)容的編排上適合自主學(xué)習(xí)；體現(xiàn)自動(dòng)化類教材與國(guó)際接軌，面向世界、面向未來、面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)的辦學(xué)指導(dǎo)思想。

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