自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)

前言

　　自動(dòng)控制技術(shù)從20世紀(jì)上半葉形成，迅速發(fā)展至今，不僅已廣泛應(yīng)用于工程中眾多的部門和領(lǐng)域，而且其中的很多思想、方法已滲透進(jìn)醫(yī)學(xué)、生物甚至社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等諸多非傳統(tǒng)工程性領(lǐng)域，使之成為國家、社會(huì)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一，并同時(shí)也使它已成為當(dāng)今高科技時(shí)代各類、各層次科技工作人員必備的技術(shù)基礎(chǔ)知識之一。　　目前我國各類、各層次工科高等院校，包括近年來發(fā)展迅猛的工科高等職業(yè)、高等?？平逃姆亲钥仡悓I(yè)都已普遍開設(shè)自動(dòng)控制課程。但因?qū)W時(shí)有限，急需既能適應(yīng)當(dāng)前科技發(fā)展需要、又適用于少學(xué)時(shí)教學(xué)的少而精教材。因此遵照教育部有關(guān)這方面規(guī)劃教材編寫的要求，本書從工程技術(shù)應(yīng)用的角度出發(fā)，把最基本、重要的經(jīng)典線性控制理論內(nèi)容與實(shí)際生產(chǎn)過程中最常用、典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)相結(jié)合起來進(jìn)行編寫。具體安排上，作為分析與綜合控制系統(tǒng)的工具，將對自動(dòng)控制實(shí)踐具有重要指導(dǎo)意義的控制理論部分編寫在前，有關(guān)工程應(yīng)用中的典型自動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)容緊隨其后，有機(jī)穿插。鑒于有關(guān)“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”的內(nèi)容已規(guī)劃為獨(dú)立教材、另行撰寫，故本書不包括這部分內(nèi)容?！　”緯〔纳献⒁猓夯?、重要、必需、實(shí)用，并有一定深度。表述時(shí)注意：循序漸進(jìn)、深入淺出、通俗易懂、便于自學(xué)。對控制理論部分，著重講清基本的概念、原理、思路和方法；注意總結(jié)、歸納出對自控實(shí)踐有指導(dǎo)意義、應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論和規(guī)律；并配有應(yīng)用的例題示范；從略冗長、嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和證明，盡量從物理概念出發(fā)，加以論證，個(gè)別地方（加“*”號部分）為加深讀者對有關(guān)重要內(nèi)容的深入理解、以利于熟練掌握應(yīng)用，以合適的方式加以推論，這部分內(nèi)容可以根據(jù)讀者的實(shí)際情況作為參考。對自動(dòng)控制系統(tǒng)部分，以工程上應(yīng)用最廣泛、最重要、具有典型性的控制系統(tǒng)為主，著重講述理論部分未涉及、但工程應(yīng)用中必須考慮的一些問題；并注意應(yīng)用理論分析中的一些方法或結(jié)論對其特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用場合等加以分析?！　∪珪卜制哒?。第一章 自動(dòng)控制的基本知識，第二章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，第三章 被控對象的動(dòng)態(tài)特性，第四章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)域分析，第五章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的頻域分析，第六章 簡單控制系統(tǒng)，第七章 復(fù)雜控制系統(tǒng)。對于控制實(shí)踐中極重要的系統(tǒng)校正問題，為節(jié)省篇幅，將反饋校正與復(fù)合校正的內(nèi)容歸于第四章 時(shí)域分析中，而將串聯(lián)校正的內(nèi)容放在第五章 頻域分析中。為幫助讀者抓住重點(diǎn)，每章末都有概括其主要內(nèi)容的小結(jié)與要求，并附有一定量的思考題與習(xí)題，以幫助鞏固、掌握有關(guān)內(nèi)容，訓(xùn)練靈活應(yīng)用、解決問題的能力。書后附有各章部分習(xí)題的參考答案。以上內(nèi)容適用于一學(xué)期的教學(xué)量，約需60學(xué)時(shí)左右?！　”緯蔷幷咴陂L期教學(xué)實(shí)踐、科研與參加工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，博采、消化了國內(nèi)有關(guān)兄弟院校教材的精華后編寫的。全書由俞眉芳教授主編，并編寫了第一章 、第二章 、第三章 、第四章 、第五章 ；俞眉芳與清華大學(xué)自動(dòng)化系范全義副教授共同編寫了第六章 、第七章 ?！　”緯星迦A大學(xué)自動(dòng)化系徐博文教授、楊家本教授與王雄教授主審，他們在百忙中對本書進(jìn)行了認(rèn)真、細(xì)致的審閱，并提出了許多寶貴的修改意見，編者在此向他們表示誠摯的謝意。在編寫過程中，還得到了清華大學(xué)張桂甲教授的大力幫助與支持。

內(nèi)容概要

　　《自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)》從工程技術(shù)應(yīng)用角度出發(fā)，將經(jīng)典線性控制理論中最基本、最重要的內(nèi)容與實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣泛、最常用的典型自動(dòng)控制系統(tǒng)相結(jié)合編寫。全書主要內(nèi)容包括自動(dòng)控制的基本知識、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、被控對象的動(dòng)態(tài)特性、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析、頻域分析、簡單控制系統(tǒng)與復(fù)雜控制系統(tǒng)，共七章。取材上注意：基本、重要、必需、實(shí)用。編寫時(shí)力求循序漸進(jìn)、深入淺出、通俗易懂、便于自學(xué)。理論部分著重講清基本概念、原理、思路和方法，注意總結(jié)、歸納對自控實(shí)踐具有指導(dǎo)意義、應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論和規(guī)律；系統(tǒng)部分著重講述理論部分未涉及、而工程應(yīng)用中必須考慮的一些問題，并注意應(yīng)用理論部分的一些方法或結(jié)論分析其特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場合等。為幫助讀者抓住重點(diǎn)，各章都有小結(jié)與要求，并配有一定量的例題、習(xí)題與思考題。書后附有各章部分習(xí)題的參考答案.　　《自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)》適合于高職、高專和成人高校（包括電大、職大）電氣信息類專業(yè)學(xué)生使用，也適用于一般工科高等院校非自控各相關(guān)類專業(yè)學(xué)生，作為少學(xué)時(shí)自動(dòng)控制教材；并可供有關(guān)工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第一章 自動(dòng)控制的基本知識1.1 自動(dòng)控制的應(yīng)用與任務(wù)1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、控制流程簡圖與原理方框圖1.3 控制系統(tǒng)的負(fù)反饋工作原理1.4 控制系統(tǒng)的分類1.5 對自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求小結(jié)與要求思考題與習(xí)題第二章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.1 標(biāo)準(zhǔn)微分方程的列寫2.2 拉普拉斯（Laplace）變換、反變換及其應(yīng)用2.3 傳遞函數(shù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.4.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的等效變換與信號流圖、梅遜（Mason）公式2.5 系統(tǒng)的典型傳遞函數(shù)及自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)小結(jié)與要求思考題與習(xí)題第三章 被控對象的動(dòng)態(tài)特性3.1 被控對象的階躍響應(yīng)與動(dòng)態(tài)方程3.2 對象的特性參數(shù)及其對控制質(zhì)量的影響3.3 時(shí)域法測試對象動(dòng)態(tài)特性及確定其傳遞函數(shù)小結(jié)與要求思考題與習(xí)題第四章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)域分析4.1 系統(tǒng)輸出響應(yīng)組成的分析4.2 線性系統(tǒng)穩(wěn)定性分析4.3 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析4.4 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析4.5 控制系統(tǒng)的校正小結(jié)與要求思考題與習(xí)題第五章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的頻域分析5.1 頻率特性的概念與求算5.2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性5.3 系統(tǒng)開環(huán)頻率特性曲線繪制及應(yīng)用5.4 頻域的穩(wěn)定性判據(jù)5.5 系統(tǒng)閉環(huán)、開環(huán)頻率特性與時(shí)域階躍響應(yīng)的關(guān)系5.6 頻域法分析與設(shè)計(jì)系統(tǒng)的串聯(lián)校正裝置小結(jié)與要求思考題與習(xí)題第六章 簡單控制系統(tǒng)6.1 概述6.2 被控量與操作控制量的選擇6.3 信號測量與傳送中注意的問題6.4 基本控制規(guī)律對控制質(zhì)量的影響及其選擇6.5 自動(dòng)調(diào)節(jié)閥選型6.6 簡單控制系統(tǒng)的工程整定與投運(yùn)小結(jié)與要求思考題與習(xí)題第七章 復(fù)雜控制系統(tǒng)7.1 串級控制系統(tǒng)及其應(yīng)用7.2 前饋一反饋控制系統(tǒng)及其應(yīng)用7.3 其它常用的過程控制系統(tǒng)小結(jié)與要求思考題附錄部分習(xí)題參考答案參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1.分析、了解控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是研究一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心問題。為此，首先應(yīng)掌握建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。它是設(shè)計(jì)、分析、改進(jìn)、完善自控系統(tǒng)的依據(jù)。本章介紹了微分方程、傳遞函數(shù)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、信號流圖四種數(shù)學(xué)模型形式，及其建立的方法與相互關(guān)系?！　?.標(biāo)準(zhǔn)微分方程是最基本的時(shí)域數(shù)學(xué)模型。輸出量c（t）對輸入量r（t）的單位階躍響應(yīng)則是對微分方程求解后的一種時(shí)域圖形表示。列寫微分方程的步驟、方法不難掌握，關(guān)鍵是對系統(tǒng)及其各組成部分的具體工作原理、物理本質(zhì)要求了解透徹，才能抓住主要矛盾，建立一個(gè)正確、合理（既簡單又有足夠精度）的微分方程。該方法主要適用于機(jī)理成熟、較為簡單的系統(tǒng)，但比較繁瑣，并要求使用者有較寬的知識面。　　3.傳遞函數(shù)是系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型。它由標(biāo)準(zhǔn)微分方程在零初始條件下經(jīng)拉氏變換而得。應(yīng)該明確它的定義及一些基本性質(zhì)。按照數(shù)學(xué)模型類型的不同，一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的各組成環(huán)節(jié)主要由比例、慣性、積分、微分、振蕩及純滯后等一些典型環(huán)節(jié)組合而成。熟悉其動(dòng)態(tài)特性將有助于對整個(gè)系統(tǒng)的分析?！　?.動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖是系統(tǒng)復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型——傳遞函數(shù)的一種圖解表示法，有簡明、形象、直觀、運(yùn)算簡單的特點(diǎn)。利用結(jié)構(gòu)圖的等效變換法則能方便地求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，在分析自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，應(yīng)該熟練掌握這種分析方法。動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的畫法也要求熟練掌握：由系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)微分方程組經(jīng)拉氏變換得到系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)變換方程組，然后從輸入端開始，按照系統(tǒng)中各信號之間的傳遞關(guān)系，依次畫出各子變換方程式輸入量與輸出量之間的傳遞函數(shù)方框圖，最后連結(jié)整個(gè)系統(tǒng)中各同名信號線。

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