自動(dòng)控制原理

前言

　　自從經(jīng)典控制理論在20世紀(jì)30-40年代逐步形成，自動(dòng)控制理論的發(fā)展已經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的歷程。自動(dòng)控制極大地推動(dòng)了現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事和航空航天的發(fā)展，不少經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論都已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到不同的領(lǐng)域中，控制理論也進(jìn)入了很多工程學(xué)科的本科教學(xué)體系中?！　〗鼛资陙?，我國(guó)出版了不少關(guān)于自動(dòng)控制原理的教科書，分別適用于不同的工程學(xué)科，大多都質(zhì)量很高、各有特色。電子與信息工程是工程領(lǐng)域發(fā)展最快的學(xué)科之一，所涉及的基礎(chǔ)理論和各種實(shí)際應(yīng)用發(fā)展迅速，日新月異。為了便于電子與信息工程專業(yè)本科學(xué)生對(duì)控制理論知識(shí)的掌握和理解，需要重新編寫適合本學(xué)科發(fā)展需要的教材?！　”窘滩氖窃诒本┖娇蘸教齑髮W(xué)出版社1993年8月出版的《線性控制系統(tǒng)》教材的基礎(chǔ)上，根據(jù)電子與信息工程專業(yè)的教學(xué)大綱修改編寫而成的，內(nèi)容涉及經(jīng)典控制理論中的時(shí)域分析法、復(fù)域分析法（即根軌跡法）和頻域分析法，并面向采樣控制系統(tǒng)介紹了相應(yīng)的分析與設(shè)計(jì)方法；本書還涉及現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)空間分析與設(shè)計(jì)?！　”緯?章簡(jiǎn)要回顧了自動(dòng)控制系統(tǒng)和理論的發(fā)展歷史，介紹了控制系統(tǒng)的一般概念和控制系統(tǒng)的性能要求和分類。第2章介紹了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，討論了典型一階、二階和高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)與瞬態(tài)性能指標(biāo)分析方法、穩(wěn)定性的基本概念和穩(wěn)定性分析代數(shù)判據(jù)，以及穩(wěn)態(tài)誤差分析方法。第3章介紹了根軌跡及根軌跡方程的概念、繪制根軌跡圖的基本規(guī)則以及控制系統(tǒng)的根軌跡分析。第4章介紹了頻率特性的基本概念、表示方法和基本環(huán)節(jié)的頻率特性，敘述了得到開環(huán)系統(tǒng)頻率特性的方法、奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)和穩(wěn)定裕量、閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性，以及控制系統(tǒng)的校正方法。第5章采樣控制系統(tǒng)回顧了帶限信號(hào)的采樣和恢復(fù)與z變換，而后給出了脈沖傳遞函數(shù)的定義和典型開環(huán)、閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的推導(dǎo)方法，討論了穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)誤差分析和瞬態(tài)特性分析，以及采樣系統(tǒng)的校正方法。第6章介紹了狀態(tài)空間模型，論述了狀態(tài)方程求解方法、可控性和可觀測(cè)性的概念和判斷方法、線性變換與標(biāo)準(zhǔn)型、極點(diǎn)配置與狀態(tài)觀測(cè)器。

內(nèi)容概要

　　控制系統(tǒng)的基本概念和分類、控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析及性能指標(biāo)、根軌跡的概念及系統(tǒng)的根軌跡分析、頻域特性基本概念及系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析法、采樣控制系統(tǒng)的概念及其分析方法，以及現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)空間模型、可控性和可觀測(cè)性概念和狀態(tài)空間分析與設(shè)計(jì)。除第1章外，每章后都附有習(xí)題?！蹲詣?dòng)控制原理》基本概念清楚，層次安排合理，條理清晰，系統(tǒng)性強(qiáng)?！　　蹲詣?dòng)控制原理》可作為電子與信息工程、計(jì)算機(jī)、儀器科學(xué)、光電工程、機(jī)械工程和電磁測(cè)量等學(xué)科本科生的自動(dòng)控制原理教材，也適合相關(guān)專業(yè)高年級(jí)學(xué)生、研究生和教師閱讀。

書籍目錄

第1章 緒論.11.1 控制系統(tǒng)的一般概念31.1.1 人工控制系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)31.1.2 開環(huán)控制與閉環(huán)控制41.1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例51.1.4 對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求61.2 控制系統(tǒng)的分類8第2章 時(shí)域分析92.1 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型92.1.1 引言92.1.2 微分方程與傳遞函數(shù)92.1.3 傳遞函數(shù)與瞬態(tài)響應(yīng)的關(guān)系112.1.4 方框圖122.2 瞬態(tài)響應(yīng)與瞬態(tài)性能指標(biāo)152.2.1 一階系統(tǒng)的時(shí)域分析172.2.2 二階系統(tǒng)的時(shí)域分析182.2.3 三階系統(tǒng)的時(shí)域分析282.2.4 附加閉環(huán)零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響292.2.5 高階系統(tǒng)的分析342.3 穩(wěn)定性分析362.3.1 穩(wěn)定性的基本概念362.3.2 勞斯穩(wěn)定判據(jù)372.4 穩(wěn)態(tài)誤差分析412.4.1 穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算432.4.2 減小穩(wěn)態(tài)誤差的方法44習(xí)題45第3章 根軌跡法483.1 根軌跡及根軌跡方程483.1.1 根軌跡483.1.2 根軌跡的解析求法493.1.3 根軌跡方程及其輻角條件和幅值條件503.2 繪制根軌跡圖的基本規(guī)則553.2.1 根軌跡的對(duì)稱性553.2.2 根軌跡的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)563.2.3 根軌跡的條數(shù)563.2.4 根軌跡在實(shí)軸上的分布規(guī)律563.2.5 根軌跡的漸近線573.2.6 實(shí)軸上根軌跡的分離點(diǎn)與會(huì)合點(diǎn)583.2.7 根軌跡的起始角和終止角613.2.8 根軌跡的分離角和會(huì)合角643.2.9 根軌跡與虛軸的交點(diǎn)643.2.1 0閉環(huán)特征方程根之和與根之積653.2.1 1繪制根軌跡舉例653.3 控制系統(tǒng)的根軌跡分析693.3.1 閉環(huán)零極點(diǎn)分布對(duì)系統(tǒng)性能的影響693.3.2 根據(jù)閉環(huán)零極點(diǎn)分布求動(dòng)態(tài)響應(yīng)713.3.3 開環(huán)零極點(diǎn)分布對(duì)根軌跡圖的影響73習(xí)題75第4章 頻域分析794.1 基本環(huán)節(jié)的頻率特性794.1.1 頻率特性及其表示方法794.1.2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性824.2 開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性894.2.1 奈奎斯特圖894.2.2 波德圖914.2.3 由實(shí)驗(yàn)確定系統(tǒng)頻率特性的傳遞函數(shù)934.3 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)954.4 穩(wěn)定裕量1024.5 閉環(huán)系統(tǒng)的頻率特性1064.5.1 閉環(huán)頻率特性的特征1064.5.2 閉環(huán)與開環(huán)頻域指標(biāo)的關(guān)系..1 094.5.3 開環(huán)頻率特性對(duì)閉環(huán)性能的影響1104.5.4 頻率特性與穩(wěn)態(tài)誤差1104.6 控制系統(tǒng)的校正方法1114.6.1 校正的基本概念1114.6.2 串聯(lián)校正1134.6.3 反饋（并聯(lián)）校正124習(xí)題125第5章 采樣控制系統(tǒng)1315.1 信號(hào)的采樣和恢復(fù)1325.1.1 采樣過程1325.1.2 采樣定理1335.1.3 信號(hào)的恢復(fù)1355.2 z變換1385.2.1 z變換的定義1395.2.2 z變換的重要性質(zhì)1415.2.3 z反變換1435.3 脈沖傳遞函數(shù)1465.3.1 脈沖傳遞函數(shù)的定義1465.3.2 開環(huán)采樣系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的脈沖傳遞函數(shù)1485.3.3 閉環(huán)采樣系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)1505.4 穩(wěn)定性分析1535.4.1 s平面軌跡在z平面的映像1535.4.2 穩(wěn)定的充分必要條件1545.4.3 w平面的勞斯穩(wěn)定判據(jù)1555.5 穩(wěn)態(tài)誤差分析1575.5.1 穩(wěn)態(tài)誤差的概念1575.5.2 穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算1585.6 瞬態(tài)特性分析1605.6.1 采樣系統(tǒng)的時(shí)域解1605.6.2 閉環(huán)極點(diǎn)位置與瞬態(tài)響應(yīng)的關(guān)系1625.7 采樣系統(tǒng)的校正164習(xí)題169第6章 狀態(tài)空間分析和設(shè)計(jì)1726.1 狀態(tài)空間模型1736.1.1 基本概念1736.1.2 狀態(tài)方程和輸出方程1756.1.3 傳遞函數(shù)矩陣1806.1.4 狀態(tài)方程與傳遞函數(shù)的關(guān)系1826.2 狀態(tài)方程求解1856.2.1 頻域解法1856.2.2 時(shí)域解法1886.2.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣1906.2.4 輸出方程求解1926.3 系統(tǒng)的可控性與可觀測(cè)性1956.3.1 穩(wěn)定性1956.3.2 可控性1986.3.3 可觀測(cè)性2026.4 線性變換與標(biāo)準(zhǔn)型2056.4.1 線性變換2056.4.2 特征值的不變性2076.4.3 標(biāo)準(zhǔn)型2086.5 極點(diǎn)配置與狀態(tài)觀測(cè)器2156.5.1 狀態(tài)反饋2156.5.2 極點(diǎn)配置2166.5.3 狀態(tài)觀測(cè)器2226.6 采樣系統(tǒng)的狀態(tài)空間與連續(xù)狀態(tài)方程的離散化2286.6.1 采樣系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式2286.6.2 采樣系統(tǒng)狀態(tài)方程求解2306.6.3 可控性與可觀測(cè)性2326.6.4 連續(xù)狀態(tài)方程的離散化233習(xí)題235參考文獻(xiàn)240

章節(jié)摘錄

　　第2章　時(shí)域分析　　2.1　控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型　　2.1.1　引　言　　描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及其變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式（也可以是其他形式的表示）稱為數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)包括：　?、傧嗨菩院统橄笮?。即雖然組成系統(tǒng)模型的參數(shù)的物理含義各不相同，但其數(shù)學(xué)模型的形式很可能是相同的。從數(shù)學(xué)觀點(diǎn)來看，只要數(shù)學(xué)模型相同，那么它們就應(yīng)有相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而與其具體參數(shù)含義無(wú)關(guān)。因此，這些具有相同數(shù)學(xué)模型的不同的具體系統(tǒng)就是相似系統(tǒng)?！　、诤?jiǎn)化性和精確性之間的折中。其原則是把系統(tǒng)模型簡(jiǎn)化后便于處理，同時(shí)數(shù)學(xué)方程的解的結(jié)果必須滿足工程實(shí)際的要求并留有一定的余地?！　?shù)學(xué)模型有多種形式，例如時(shí)域的微分方程、差分方程和狀態(tài)方程，復(fù)數(shù)域的傳遞函數(shù)和結(jié)構(gòu)圖，以及頻率域的頻率特性等。究競(jìng)選用哪種模型，一般要視采用的分析方法和系統(tǒng)的類型而定。例如：連續(xù)系統(tǒng)中單輸入/單輸出系統(tǒng)的時(shí)域分析法，可以采用微分方程。已知輸入量與變量的初始條件，對(duì)微分方程求解就可以得到系統(tǒng)輸出量的表達(dá)式，并由此可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合。建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的首要工作。

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