自動控制原理

前言

目前，自動控制技術已廣泛地應用于工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運輸和國防建設。指導自動控制系統(tǒng)分析和設計的控制理論也有了很大的發(fā)展，它的概念、方法和體系已經(jīng)滲透到許多科學領域。在20世紀40和50年代中發(fā)展起來的經(jīng)典控制理論至今仍被成功地應用于單變量定常系統(tǒng)的分析和設計。在20世紀50年代末、60年代初發(fā)展起來的狀態(tài)空間方法具有更廣泛的適用性，它可以用于多變量、定?；驎r變系統(tǒng)，所討論的問題更為復雜。為了適應高等工業(yè)院校本科生教學的需要，根據(jù)相應的教學大綱和學時安排，選取了經(jīng)典控制理論和狀態(tài)空間方法基礎部分作為內(nèi)容，編寫本教材。本教材可供電子信息科學類、儀器儀表類、電氣信息類、自動控制類等專業(yè)選用。本教材在經(jīng)典控制理論和狀態(tài)空間方法這兩部分內(nèi)容的處理上，遵循“傳統(tǒng)模式”，即將經(jīng)典理論與現(xiàn)代控制理論分開編寫，主要是考慮到傳統(tǒng)模式已經(jīng)證明行之有效，并且可以繼續(xù)采用。另外，這兩方面內(nèi)容的數(shù)學基礎不同，處理問題的思路不同，混編在一起容易造成教學上的不便。為了彌補傳統(tǒng)編寫模式的不足，建議在講現(xiàn)代控制理論時能有意識地多聯(lián)系經(jīng)典控制理論。本教材是高等教育出版社2003年出版的《自動控制原理》的修訂本。本教材第一版出版以來，受到了眾多在校大學生和工程技術人員的歡迎，為多所兄弟院校選用。2004年被評為北京市高等教育精品教材，后來又被列入普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材。以此為主要教材的北京航空航天大學自動控制原理課程，2006年獲得了國家級精品課程稱號。與第一版相比，本次修訂在保持原教材主要風格和內(nèi)容的基礎上，僅對部分章節(jié)及內(nèi)容進行了一些調(diào)整，并適當增加了一些習題。本教材安排了九章內(nèi)容。第一章介紹自動控制的一般概念，首先從人工控制的過程引出自動控制系統(tǒng)應有的職能和部件，從而引出反饋系統(tǒng)的概念與組成特點，而不是通過大量實例的羅列而引出，這樣做加強了抽象思維的培養(yǎng)，也加強了與人工智能控制的聯(lián)系。然后舉三個例子介紹開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復合控制等概念。重點是反饋系統(tǒng)的原理、組成部件的闡述。動態(tài)過程和對系統(tǒng)的性能要求只介紹初步概念。第二章介紹自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，包括微分方程、傳遞函數(shù)和脈沖響應函數(shù)。強調(diào)了用線性常系數(shù)微分方程描述的系統(tǒng)特點：疊加原理、時不變性、物理實現(xiàn)性；講梅森公式時，直接使用動態(tài)結構圖，不引入信號流圖，從而使梅森公式與動態(tài)結構圖融為一體。為與現(xiàn)代科技接軌，在本次修訂中，更換了與時代相應的實例，如汽車助力系統(tǒng)等。

內(nèi)容概要

　　《普通高等教育十一五國家級規(guī)劃教材·自動控制原理(第2版)》是高等教育出版社2003年出版的《自動控制原理》的修訂本。與第一版相比，本次修訂在保持原教材主要風格和內(nèi)容的基礎上，僅對部分章節(jié)及內(nèi)容進行了一些調(diào)整，并適當增加了一些習題。書中包括了：自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、根軌跡法等內(nèi)容?！　　镀胀ǜ叩冉逃晃鍑壹壱?guī)劃教材·自動控制原理(第2版)》可作為高等學校電子信息科學類、儀器儀表類、電氣信息類、自動控制類等專業(yè)的教材。

作者簡介

程鵬，男，1938年9月出生，1962年畢業(yè)于北京大學數(shù)學力學系(六年制本科)。北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院教授，控制理論與控制工程學科博士生導師。北京市優(yōu)秀教師，享受政府特殊津貼。長期主講“自動控制原理”、“線性系統(tǒng)理論”、“最優(yōu)控制理論”等課程。主持北航“自動控制原理”國家精品課程建設工作。教學工作曾獲北京市高等教育教學成果一等獎。出版有《自動控制原理》、《線性系統(tǒng)理論》等十余本書籍。曾獲航空工業(yè)部優(yōu)秀教材二等獎、國家教委全國高等學校優(yōu)秀教材獎。主編的教材《自動控制原理》、《現(xiàn)代控制理論基礎》被評為北京市高等教育精品教材。主要研究領域為線性系統(tǒng)理論、多變量系統(tǒng)理論、魯棒控制和飛行器控制，以國家自然科學基金、航空科學基金等應用基礎類型的研究為主。在學術會議和核心刊物上發(fā)表論文70余篇。

書籍目錄

第一章 自動控制的一般概念 §1-1 自動控制的任務 §1-2 啟動控制的基本方式 §1-3 對控制系統(tǒng)的性能要求 習題 第二章 自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 §2-1 控制系統(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) §2-4 動態(tài)結構圖 §2-5 系統(tǒng)的脈沖響應函數(shù) §2-6 典型反饋系統(tǒng)的幾種傳遞函數(shù) 習題 第三章 時域分析法 §3-1 時域分析基礎 §3-2 一、二階系統(tǒng)分析與計算 §3-3 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 §3-4 穩(wěn)態(tài)誤差分析與計算 習題 第四章 根軌跡法 §4-1 根軌跡與根軌跡方程 §4-2 繪制根軌跡的基本法則 §4-3 開環(huán)零、極點變化時的根軌跡 §4-4 零度根軌跡 §4-5 系統(tǒng)閉環(huán)零、極點分布與階躍響應的關系 §4-6 系統(tǒng)階躍響應的根軌跡分析 習題 第五章 頻率域方法 §5-1 從傅里葉級數(shù)到傅里葉變換 §5-2 頻率特性 §5-3 典型環(huán)節(jié)的頻率特性 §5-4 系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性 §5-5 頻率穩(wěn)定判據(jù) §5-6 系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性與階躍響應的關系 §5-7 開環(huán)頻率特性與系統(tǒng)階躍響應的關系 習題 第六章 控制系統(tǒng)的校正 §6-1 系統(tǒng)校正設計基礎 §6-2 串聯(lián)校正 §6-3 串聯(lián)校正的理論設計方法 §6-4 反饋校正 §6-5 復合校正 習題 第七章 非線性系統(tǒng)分析 §7-1 非線性問題概述 §7-2 常見非線性因素對系統(tǒng)運動特性的影響 §7-3 相平面法基礎 §7-4 非線性系統(tǒng)的相軌跡分析 §7-5 描述函數(shù) §7-6 用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng) 習題 第八章 采樣系統(tǒng)理論 §8-1 采樣過程與采樣定理 §8-2 信號的恢復與零階保持器 §8-3 z變換與z反變換 §8-4 脈沖傳遞函數(shù) §8-5 采樣系統(tǒng)的性能分析 §8-6 采樣系統(tǒng)的數(shù)字校正 習題 第九章 狀態(tài)空間分析方法 §9-1 狀態(tài)空間方法基礎 §9-2 線性系統(tǒng)的可控性和可觀測性 §9-3 狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器 §9-4 有界輸入、有界輸出穩(wěn)定性 §9-5 李雅普諾夫第二方法 習題 附錄I 拉普拉斯變換 附錄Ⅱ 矩陣相似對角化和約當標準形 附錄Ⅲ MATLAB軟件與自動控制系統(tǒng)設計 部分習題答案 參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：自動控制作為一種重要的技術手段，能解決哪類性質(zhì)的工程問題？能承擔什么樣的技術任務呢？任何技術設備、機器和生產(chǎn)過程都必須按照預定的要求運行。例如，要想使發(fā)電機正常供電，就必須保持其輸出電壓恒定，盡量不受負荷變化和原動機轉(zhuǎn)速波動的影響；要想使數(shù)控機床加工出高精度的零件，就必須保證其刀架的位置準確地跟隨指令進給；要想使熱處理爐提供合格的產(chǎn)品，就必須嚴格地控制爐溫，等等。其中發(fā)電機、機床、烘爐就是工作的機器設備；電壓、刀架位置、爐溫是表征這些機器設備工作狀態(tài)的物理參量；而額定電壓、進給的指令、規(guī)定的爐溫，就是對物理參量在運行過程中的要求。通常，在自動控制技術中，把這些工作的機器設備稱為被控對象，把表征這些機器設備工作狀態(tài)的物理參量稱為被控量，而對這些物理參量的要求值稱為給定值或希望值（或參考輸入）。則控制的任務可概括為：使被控對象的被控量等于給定值。自動控制的任務，是在沒有人直接參與下，利用控制裝置操縱被控對象，使被控量等于給定值。

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《自動控制原理(第2版)》：普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材

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