控制工程基礎及MATLAB實踐

前言

本書是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材，是為適應機械類專業(yè)學生學習控制理論而編寫的，也適用于對控制理論有興趣并希望盡快掌握其基本內容的工程師、學生等對象。控制理論自建立以來，經(jīng)歷了經(jīng)典控制論、現(xiàn)代控制理論、智能控制理論等階段，并且不斷地與新理論、新技術相結合，始終保持著旺盛的生命力。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，控制理論已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟的各個方面，在機械工程領域，控制理論更是得到了廣泛的應用。針對機械行業(yè)的特點與要求，考慮到機械專業(yè)學生的特點，在總結多年教學經(jīng)驗的基礎上，借鑒國內外同類優(yōu)秀教材的經(jīng)驗，與多家院校教師合作，組織編寫了這部教材。本書覆蓋了經(jīng)典控制理論的基本內容，同時也為進一步掌握現(xiàn)代控制理論準備了基本知識。建立數(shù)學模型是掌握控制理論的難點之一，本書不僅在數(shù)學模型建立部分主要講述了機械系統(tǒng)建模方法，還在各章實例分析中，采用大量的與實際生活及現(xiàn)代科技密切相關的實例，以期引起讀者的廣泛興趣，使讀者在充分闡述建立數(shù)學模型的思想與方法的同時，深刻領會控制理論應用的普遍性與重要性。本書在理論闡述方面力求簡潔扼要，同時在對系統(tǒng)進行分析與設計時，不拘泥于模型的形式，針對問題，將時域、狀態(tài)空間以及頻域等各種形式的模型自如運用于系統(tǒng)分析中。本書將運用MATLAB語言進行系統(tǒng)性能分析的思想融入各個章節(jié)之中。由MATLAB生成的圖形使所要闡述的問題形象化、數(shù)字化，一些簡單但費時的數(shù)學運算可以利用MATLAB來完成，在充分利用這一數(shù)學工具的同時，更加深刻理解控制理論的各種概念與設計思想。本書的各個章節(jié)之間的獨立性較強，可以根據(jù)實際需要進行選擇。由于計算機技術越來越廣泛地應用于實際工業(yè)系統(tǒng)中，因此狀態(tài)空間理論與離散系統(tǒng)的知識的掌握就不可避免，這兩部分的內容可以根據(jù)實際情況選擇自學。本書所需學時數(shù)可以在40-64學時之間酌情選擇。本書由張若青、羅學科、王民主編。參加本書編寫的有：樊瑞（第1章）、羅學科（第2章）、張若青（第3—5章、第8章）、胡敦利（第6章）、王民（第7章）、徐繼寧（第9章、第10章）。全書由張若青修改定稿。本書由北京航空航天大學博士生導師裘麗華教授審閱，她對本書提出了許多寶貴意見，在此表示衷心的感謝。由于編者水平所限。書中難免有不少缺點和錯誤，敬請廣大讀者與專家批評指正。

內容概要

　　《控制工程基礎及MATLAB實踐》包括控制理論的基本概念、控制系統(tǒng)的時域建模、頻域描述、時域分析、反饋控制系統(tǒng)性能、根軌跡分析、頻域分析發(fā)、控制系統(tǒng)設計、狀態(tài)空間基礎以及線性離散系統(tǒng)分析等基本內容。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 引言1.2 控制理論的發(fā)展歷史1.3 控制系統(tǒng)的基本概念1.3.1 控制系統(tǒng)的基本構成1.3.2 控制系統(tǒng)的分類1.3.3 控制系統(tǒng)的質量指標1.4 機電控制系統(tǒng)實例1.5 MATLAB基礎1.5.1 MATLAB簡介1.5.2 MATLAB主要特點習題第2章 控制系統(tǒng)的時域模型2.1 物理系統(tǒng)的微分方程2.2 小偏差線性化2.2.1 問題的提出2.2.2 線性化2.3 狀態(tài)與狀態(tài)方程2.3.1 狀態(tài)與狀態(tài)變量2.3.2 狀態(tài)方程2.4 機械系統(tǒng)數(shù)學模型的建立2.4.1 機械平移系統(tǒng)2.4.2 機械轉動系統(tǒng)2.4.3 機械傳動系統(tǒng)2.5 其他系統(tǒng)建模2.6 小結習題第3章 控制系統(tǒng)的復數(shù)域描述3.1 拉氏變換3.1.1 拉氏變換的定義3.1.2 拉氏變換的性質3.1.3 拉氏逆變換3.1.4 拉氏變換的應用3.1.5 MATLAB求解拉氏變換與拉氏逆變換3.2 傳遞函數(shù)3.2.1 傳遞函數(shù)的基本概念3.2.2 關于傳遞函數(shù)的幾點說明3.2.3 傳遞函數(shù)陣3.3 動態(tài)結構圖3.3.1 動態(tài)結構圖的基本元素3.3.2 動態(tài)結構圖的化簡3.4 信號流圖3.4.1 信號流圖的基本元素3.4.2 動態(tài)結構圖與信號流圖之間的轉換3.4.3 梅森公式3.4.4 基于MATLAB的結構圖變換仿真3.5 典型環(huán)節(jié)與控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)3.5.1 典型環(huán)節(jié)3.5.2 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)3.6 機電控制系統(tǒng)中的傳感器與直流電動機3.6.1 傳感器與編碼器3.6.2 執(zhí)行電動機3.7 實例分析3.8 小結習題第4章 控制系統(tǒng)的時域響應4.1 時域響應的性能指標4.1.1 典型測試信號4.1.2 時域性能指標4.2 一階系統(tǒng)分析4.2.1 單位階躍響應分析4.2.2 單位斜坡響應分析4.2.3 單位脈沖響應分析4.2.4 特征根的分布與響應形式之間的關系4.3 二階系統(tǒng)分析4.3.1 單位階躍響應4.3.2 單位階躍響應的性能指標4.3.3 單位斜坡響應4.3.4 特征根分布與。向應形式之間的關系4.4 增加零、極點對系統(tǒng)動態(tài)過程的影響4.4.1 單位反饋系統(tǒng)增加前向通路極點4.4.2 單位反饋系統(tǒng)增加前向通路零點4.4.3 閉環(huán)系統(tǒng)增加極點4.4.4 閉環(huán)系統(tǒng)增加零點4.5 高階系統(tǒng)近似4.6 狀態(tài)空間模型的時域響應分析4.7 MATLAB環(huán)境下時域響應分析4.8 穩(wěn)定性分析4.8.1 穩(wěn)定性概念4.8.2 代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)4.8.3 相對穩(wěn)定性4.9 實例分析4.1 0小結習題第5章 反饋控制系統(tǒng)的性能5.1 穩(wěn)態(tài)誤差5.1.1 非線性與誤差5.1.2 誤差的基本概念5.1.3 典型輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差5.1.4 穩(wěn)態(tài)誤差與閉環(huán)傳遞函數(shù)之間的關系5.2 反饋與參數(shù)魯棒性5.2.1 參數(shù)靈敏度5.2.2 反饋控制系統(tǒng)中的干擾信號5.2.3 反饋的副作用5.3 指標函數(shù)與最優(yōu)系統(tǒng)5.3.1 時域法5.3.2 頻域法5.4 實例分析5.5 小結習題第6章 根軌跡分析6.1 基本概念6.1.1 根軌跡6.1.2 根軌跡方程6.2 根軌跡繪制法則6.3 根軌跡繪制舉例6.4 其他形式的根軌跡6.4.1 正反饋系統(tǒng)的根軌跡6.4.2 非最小相位系統(tǒng)的根軌跡6.4.3 參數(shù)根軌跡6.5 根軌跡分析6.6 MATLAB環(huán)境下根軌跡的繪制6.7 實例分析6.8 小結習題第7章 頻域分析法7.1 頻率特性的概念7.1.1 頻率特性的物理意義7.1.2 頻率特性的數(shù)學意義7.1.3 頻率特性的表示方法7.1.4 頻率特性的性能指標7.2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性7.2.1 比例環(huán)節(jié)7.2.2 積分環(huán)節(jié)7.2.3 微分環(huán)節(jié)7.2.4 慣性環(huán)節(jié)7.2.5 一階微分環(huán)節(jié)7.2.6 二階振蕩環(huán)節(jié)7.2.7 二階微分環(huán)節(jié)7.2.8 一階不穩(wěn)定環(huán)節(jié)7.2.9 延遲環(huán)節(jié)7.3 控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性7.3.1 開環(huán)幅相特性7.3.2 開環(huán)對數(shù)頻率特性7.4 頻率特性的測試方法7.5 頻域穩(wěn)定性判據(jù)7.5.1 米哈伊洛夫定理7.5.2 奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)7.5.3 關于原點處極點或零點的處理7.5.4 穩(wěn)定性判據(jù)的對數(shù)形式7.5.5 條件穩(wěn)定系統(tǒng)7.5.6 多回路系統(tǒng)7.6 穩(wěn)定裕度7.7 系統(tǒng)頻域響應與時域響應的關系7.7.1 典型二階系統(tǒng)時域響應與頻域響應的關系7.7.2 一般系統(tǒng)時域響應與頻域響應之間的關系7.7.3 開環(huán)頻率特性與閉環(huán)頻率特性之間的關系7.8 基于MATLAB的頻域分析7.9 實例分析7.1 0小結習題第8章 控制系統(tǒng)設計8.1 性能指標與設計方法8.2 校正方式8.3 串聯(lián)校正網(wǎng)絡8.3.1 超前校正網(wǎng)絡8.3.2 滯后校正網(wǎng)絡8.3.3 滯后一超前校正網(wǎng)絡8.4 超前校正網(wǎng)絡設計8.4.1 超前校正網(wǎng)絡的頻域設計8.4.2 超前校正網(wǎng)絡的根軌跡設計8.5 滯后校正網(wǎng)絡設計8.5.1 滯后校正網(wǎng)絡的頻域設計8.5.2 滯后校正網(wǎng)絡的根軌跡設計8.6 實例分析8.7 小結習題第9章 狀態(tài)空間法基礎9.1 引論9.2 狀態(tài)空間表達式的建立9.2.1 由結構圖模型建立狀態(tài)空間表達式9.2.2 由傳遞函數(shù)模型建立狀態(tài)空間表達式9.3 狀態(tài)變換9.3.1 狀態(tài)向量的非唯一性及特征值不變性9.3.2 常用標準型9.3.3 MATLAB下建立狀態(tài)空間模型9.4 系統(tǒng)能控性和能觀性9.4.1 能控性9.4.2 能觀性9.4.3 單輸入系統(tǒng)的能控標準型和能觀標準型9.4.4 系統(tǒng)能控性與能觀性的對偶原理9.4.5 基于MATLAB的能控性與能觀性分析9.5 李雅普諾夫穩(wěn)定性與判別方法9.5.1 李雅普諾夫的穩(wěn)定性定義9.5.2 李雅普諾夫的穩(wěn)定性判據(jù)9.5.3 線性定常系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析9.5.4 基于MATLAB的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析9.6 線性定常系統(tǒng)的設計與綜合；9.6.1 狀態(tài)反饋實現(xiàn)極點配置9.6.2 最優(yōu)控制系統(tǒng)的設計9.6.3 狀態(tài)觀測器及其應用9.7 實例分析9.8 小結習題第10章 線性離散系統(tǒng)分析10.1 引論10.2 信號的采樣與復現(xiàn)10.2.1 采樣過程與采樣定理10.2.2 信號保持10.2.3 A／D轉換器和D／A轉換器10.3 z變換理論10.3.1 差分與差分方程10.3.2 z變換的定義10.3.3 z變換的方法10.3.4 z變換的性質10.3.5 z逆變換10.4 脈沖傳遞函數(shù)10.4.1 離散系統(tǒng)的數(shù)學定義10.4.2 脈沖傳遞函數(shù)10.5 離散系統(tǒng)響應的求解10.5.1 z變換方法求解差分方程10.5.2 利用MATLAB求解離散響應10.6 線性定常離散系統(tǒng)的分析10.6.1 線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性10.6.2 離散系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差10.6.3 離散系統(tǒng)動態(tài)特性分析10.6.4 用LTIVicwer對離散控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析10.7 實例分析10.8 小結習題參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：1.1 引言控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學，而所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象自動地按照預定的規(guī)律運行和變化。在工程技術與科學的發(fā)展過程中，控制理論發(fā)揮著至關重要的作用。除了在空間飛行器、導彈導航系統(tǒng)以及機器人中扮演的重要角色以外，在現(xiàn)代制造工業(yè)、工業(yè)過程控制等領域，控制理論的作用也越來越重要。例如，數(shù)控機床加工工具的數(shù)字控制，轎車與卡車的設計、壓力、溫度、濕度、流量等過程變量的控制，都離不開控制理論。控制理論與實踐發(fā)展的結果是獲得具有最優(yōu)性能的控制系統(tǒng)、提高生產(chǎn)率、減輕手工勞動強度，因此越來越多的科學家與工程師需要更好地掌握這一領域的知識。控制理論建立在反饋理論與線性系統(tǒng)分析的基礎上，集成了網(wǎng)絡及通信理論的一些概念，因此該理論并不限于某一特定的工程領域，而是可以應用在航空、航天、化學、機械、環(huán)境、電子工程等諸多領域。同時，由于一個控制系統(tǒng)通常包括電子、機械、化學等元件，故而控制理論還是一門跨學科的基礎理論。線性系統(tǒng)理論所假定的，構成系統(tǒng)的元件的輸入、輸出之間存在因果關系，是控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析的基礎。一個元件或過程如果可控，如圖1.1 所示，輸入作用于過程（或系統(tǒng)），使系統(tǒng)產(chǎn)生相應的輸出。這種輸人、輸出之間的關系既表示了過程的因果關系，也表明如果給予一個系統(tǒng)或過程輸入信號，就可以產(chǎn)生輸出信號，當然經(jīng)常需要功率放大裝置，如圖1.2 所示。這種利用驅動裝置直接對過程進行控制、所有信號單向傳遞、不存在信號回饋（或稱反饋），即輸出對輸入沒有反作用的控制系統(tǒng)，稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。圖1.2 開環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)相反，閉環(huán)控制系統(tǒng)利用輸出量的測量值，使之與理想輸出進行比較，這時輸出量的測量值即為反饋信號，簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖1.3 所示。閉環(huán)控制系統(tǒng)就是通過比較，將輸出量與理想輸出量之間的差值作為控制信號，作用于控制器與過程，即輸出信號反過來影響控制輸入信號，構成了輸出信號的反饋（負反饋），形成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此又稱為反饋控制系統(tǒng)。

編輯推薦

《控制工程基礎及MATLAB實踐》是王民等編寫的，由高等教育出版社出版。

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