自動控制原理

前言

　　自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)理論。隨著自動控制技術(shù)在制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)、交通、醫(yī)學(xué)、軍事、航空航天、經(jīng)濟(jì)管理、金融等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，自動控制理論的重要價值和地位日益凸現(xiàn)出來，從本質(zhì)上講，控制工程是一個跨學(xué)科的綜合性技術(shù)領(lǐng)域?！白詣涌刂评碚摗蹦壳耙殉蔀樵S多學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課程或核心課程?！　∽髡邚?996年起承擔(dān)“自動控制原理”的課程教學(xué)，每年為機(jī)械電子工程、探測制導(dǎo)與控制技術(shù)、飛行器設(shè)計與工程、航天運(yùn)輸與控制、武器系統(tǒng)與發(fā)射工程、飛行器動力工程等專業(yè)的學(xué)生授課。作者根據(jù)學(xué)校教學(xué)大綱和教學(xué)計劃的修訂及學(xué)時調(diào)整，選用了很多校內(nèi)外教材，幾乎對國內(nèi)外的所有教材都進(jìn)行了研讀，時刻關(guān)注和學(xué)習(xí)新出版的教材，及時將各教材中的精華加入自己的教案，并引入到課堂教學(xué)，豐富了教學(xué)內(nèi)容。2007年，作者將教案進(jìn)行整理，編寫了北京理工大學(xué)《自動控制原理》內(nèi)部教材?！　”緯帉懙哪康氖菙M博采國內(nèi)外《自動控制理論》教材之長，融會貫通，出版一本時代感強(qiáng)、理論知識闡述嚴(yán)密、融入作者多年教學(xué)經(jīng)驗和課程教學(xué)改革的成果、反應(yīng)自動控制理論在航空航天技術(shù)領(lǐng)域中的最新進(jìn)展和應(yīng)用成果、具有較強(qiáng)工程實用性的教材，以提高學(xué)生學(xué)以致用的能力?！　”緯诰帉戇^程中，盡量堅持以下原則。　?。?）理論系統(tǒng)性強(qiáng)，但充分面向工程　　本書依然傳承國內(nèi)優(yōu)秀教材理論系統(tǒng)性強(qiáng)的特點，但同時特別強(qiáng)調(diào)自動控制理論是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的工程學(xué)科，而不是抽象的數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)學(xué)符號的堆砌。深入剖析理論所蘊(yùn)含的物理意義，刪減或精簡傳統(tǒng)自動控制理論教材中過于繁復(fù)的數(shù)學(xué)證明，強(qiáng)調(diào)教材的“工程實用性”?！　。?）博采眾家之長，并融會貫通　　萃取國內(nèi)外常用和近期出版教材的精華，尤其是將國內(nèi)常用教材的理論系統(tǒng)性強(qiáng)和國外教材示例多、闡述形象、通俗易懂的特點有機(jī)融合在一起，突出教材的“與時俱進(jìn)”。同時，在教材中融入作者多年來在本課程教學(xué)和科研實踐中的體會，將理論與實踐緊密結(jié)合，反映自動控制理論在航空航天等各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用?！　。?）恰當(dāng)?shù)乩肕ATLAB軟件輔助課程教學(xué)　　在每章最后一節(jié)簡單介紹對應(yīng)知識點中的MATLAB仿真指令，加強(qiáng)學(xué)生對自動控制理論的深入理解與掌握，并有助于學(xué)生以后的控制系統(tǒng)工程實踐；避免用過多篇幅講述MATLAB的做法，分清主次內(nèi)容，突出自動控制理論的完整性和系統(tǒng)性，避免喧賓奪主?！　。?）追溯自動控制理論的發(fā)展史，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)發(fā)展規(guī)律　　本書在第1章中詳細(xì)介紹自動控制理論的發(fā)展史和形成史，使學(xué)生明了在科學(xué)發(fā)展過程中，需求牽引與技術(shù)推動的辯證關(guān)系和巨大作用，激勵和教育學(xué)生夯實基礎(chǔ)、大膽創(chuàng)新；將自動控制理論中的主要知識點與自動控制理論發(fā)展歷史聯(lián)系起來，突出自動控制理論的悠久歷史淵源，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。　　本書分8章。第1章深入淺出地講述了自動控制的基本概念和發(fā)展歷史；第2章介紹了線性連續(xù)控制系統(tǒng)在時域和復(fù)域中的數(shù)學(xué)模型及其結(jié)構(gòu)圖和信號流圖；第3～5章分別講述了線性連續(xù)控制系統(tǒng)的時域分析法、根軌跡分析法、頻域分析法；第6章比較全面地闡述了線性連續(xù)控制系統(tǒng)的幾種典型校正方法；第7章主要講述了一種非線性連續(xù)系統(tǒng)分析方法——描述函數(shù)法；第8章重點介紹了離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與穩(wěn)定性分析。在每章的最后一節(jié)介紹了基于MATLAB的控制系統(tǒng)分析相關(guān)指令，以促進(jìn)學(xué)生對自動控制理論的深入理解與掌握，并為以后的實踐應(yīng)用奠定軟件設(shè)計基礎(chǔ)?！　”緯?～7章由宋建梅編寫，第8章由王正杰、宋建梅共同編寫。在本書編寫過程中，北京理工大學(xué)自動化學(xué)院的張旺老師給予了認(rèn)真的指導(dǎo)。已畢業(yè)的碩士研究生孫松斌、董帥、劉七燕在本書雛形（2007年北京理工大學(xué)內(nèi)部教材）的編寫過程中進(jìn)行了文字錄入、繪圖、仿真程序編寫等工作；蔡高華、馮濤、陳賢相、史榕頎、張明亮、梁棟在本書的編寫過程中進(jìn)行了文字錄入、繪圖、仿真程序編寫等工作，在此一并感謝?！　”緯峁┡涮椎碾娮诱n件及相關(guān)仿真程序，可登錄電子工業(yè)出版社的華信教育資源網(wǎng)：www.hxedu.com.cn，注冊后免費(fèi)下載。　　由于作者水平有限，書中錯誤或欠妥之處在所難免，懇請各位讀者批評指正?！　∽髡摺　?012年4月

內(nèi)容概要

　　本書比較全面系統(tǒng)地闡述了自動控制原理的基本理論和應(yīng)用。本書分8章。第1章深入淺出地講述了自動控制的基本概念和發(fā)展歷史；第2章介紹了線性連續(xù)控制系統(tǒng)在時域和復(fù)域中的數(shù)學(xué)模型及其結(jié)構(gòu)圖和信號流圖；第3～5章分別講述了線性連續(xù)控制系統(tǒng)的時域分析法、根軌跡分析法、頻域分析法；第6章比較全面地闡述了線性連續(xù)控制系統(tǒng)的幾種典型校正方法；第7章主要講述了一種非線性連續(xù)系統(tǒng)分析方法——描述函數(shù)法；第8章重點介紹了離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與穩(wěn)定性分析。

書籍目錄

第1章  自動控制系統(tǒng)導(dǎo)論
  1.1  引言
    1.1.1  自動控制概念
    1.1.2  自動控制技術(shù)應(yīng)用
    1.1.3  自動控制系統(tǒng)的基本控制方式
  1.2  反饋控制原理與示例
    1.2.1  反饋控制原理
    1.2.2  開環(huán)控制與反饋控制系統(tǒng)示例
    1.2.3  反饋控制系統(tǒng)的基本組成
  1.3  自動控制發(fā)展簡史
  1.4  自動控制系統(tǒng)的分類
    1.4.1  線性連續(xù)控制系統(tǒng)
    1.4.2  線性定常離散控制系統(tǒng)
    1.4.3  非線性控制系統(tǒng)
  1.5  對自動控制系統(tǒng)的基本要求
    1.5.1  基本要求
    1.5.2  典型外作用
  1.6  控制系統(tǒng)設(shè)計概述及設(shè)計實例
    1.6.1  控制系統(tǒng)設(shè)計概論
    1.6.2  設(shè)計示例1：胰島素注射控制系統(tǒng)
    1.6.3  設(shè)計示例2：磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng)
   習(xí)題1
第2章  自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
  2.1  引言
  2.2  自動控制系統(tǒng)時域數(shù)學(xué)模型的建立
    2.2.1  自動控制元件運(yùn)動方程的建立
    2.2.2  線性系統(tǒng)的基本特性
    2.2.3  運(yùn)動的模態(tài)
   2.3  數(shù)學(xué)模型的線性化
   2.4  傳遞函數(shù)
    2.4.1  傳遞函數(shù)的定義和性質(zhì)
    2.4.2  傳遞函數(shù)的極點與零點
   2.5  典型環(huán)節(jié)——傳遞函數(shù)的基本因子
    2.5.1  比例環(huán)節(jié)
    2.5.2  一階慣性環(huán)節(jié)
    2.5.3  理想微分環(huán)節(jié)
    2.5.4  積分環(huán)節(jié)
    2.5.5  二階振蕩環(huán)節(jié)
  2.6  結(jié)構(gòu)圖及其等效變換
    2.6.1  結(jié)構(gòu)圖的基本概念
    2.6.2  結(jié)構(gòu)圖的繪制
    2.6.3  結(jié)構(gòu)圖等效變換
  2.7  信號流圖及梅森增益公式
    2.7.1  信號流圖的基本概念
    2.7.2  梅森增益公式
    2.7.3  信號流圖的繪制
 2.8  開環(huán)傳遞函數(shù)與閉環(huán)傳遞函數(shù)
    2.8.1  開環(huán)傳遞函數(shù)
    2.8.2  閉環(huán)傳遞函數(shù)
  2.9  設(shè)計示例：磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng)
  2.10  控制系統(tǒng)在MATLAB中的描述及部分分式展開
    2.10.1  控制系統(tǒng)在MATLAB中的描述
    2.10.2  部分分式展開
  習(xí)題2
第3章  自動控制系統(tǒng)的時域分析
  3.1  引言
  3.2  線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
    3.2.1  穩(wěn)定性定義
    3.2.2  系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件
  3.3  勞斯穩(wěn)定性判據(jù)
    3.3.1  勞斯穩(wěn)定性判據(jù)
    3.3.2  應(yīng)用勞斯判據(jù)確定系統(tǒng)參數(shù)
  3.4  過渡過程的基本概念
    3.4.1  過渡過程定義
    3.4.2  單位階躍響應(yīng)及其性能指標(biāo)
  3.5  一階系統(tǒng)的時域分析
    3.5.1  一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
    3.5.2  一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)
    3.5.3  一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)
    3.5.4  一階系統(tǒng)的單位加速度響應(yīng)
  3.6  典型二階系統(tǒng)的時域分析
    3.6.1  二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
    3.6.2  二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
    3.6.3  二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)
  3.7  第三個極點和零點對二階系統(tǒng)響應(yīng)的影響
    3.7.1  第三個極點對二階系統(tǒng)響應(yīng)的影響
    3.7.2  附加零點對典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的影響
    3.7.3  小結(jié)
  3.8  高階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
    3.8.1  單位階躍響應(yīng)表達(dá)式
    3.8.2  主導(dǎo)極點和等效二階系統(tǒng)
  3.9  線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析
    3.9.1  引言
    3.9.2  誤差與穩(wěn)態(tài)誤差
    3.9.3  三種標(biāo)準(zhǔn)測試輸入信號下的穩(wěn)態(tài)誤差
    3.9.4  動態(tài)誤差系數(shù)
    3.9.5  擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差
    3.9.6  減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的措施
 3.10  設(shè)計實例
    3.10.1  磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng)
    3.10.2  磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng)（續(xù)）
    3.10.3  英吉利海峽海底隧道鉆機(jī)
    3.10.4  火星漫游車轉(zhuǎn)向控制
 3.11  用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)的時域分析
 習(xí)題3
第4章  根軌跡法
  4.1  引言
  4.2  根軌跡的基本概念
    4.2.1  二階系統(tǒng)的根軌跡
    4.2.2  輻角條件和幅值條件
  4.3  根軌跡繪制的基本法則
  4.4  根軌跡草圖繪制舉例
  4.5  參量根軌跡
  4.6  增加極點或零點對根軌跡的影響
  4.7  設(shè)計實例
  4.8  應(yīng)用MATLAB繪制分析根軌跡
  習(xí)題4
第5章  頻域分析法
   5.1  引言
   5.2  頻率特性的基本概念
    5.2.1  頻率特性的基本概念
    5.2.2  頻率特性的幾何表示法
  5.3  典型環(huán)節(jié)的頻率特性
    5.3.1  比例環(huán)節(jié)的頻率特性
    5.3.2  積分環(huán)節(jié)的頻率特性
    5.3.3  微分環(huán)節(jié)的頻率特性
    5.3.4  慣性環(huán)節(jié)的頻率特性
    5.3.5  一階微分環(huán)節(jié)的頻率特性
    5.3.6  振蕩環(huán)節(jié)的頻率特性
    5.3.7  不穩(wěn)定慣性環(huán)節(jié)的頻率特性
    5.3.8  延時環(huán)節(jié)的頻率特性
  5.4  開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性
    5.4.1  最小相位與非最小相位系統(tǒng)
    5.4.2  開環(huán)幅相頻率特性作圖法
    5.4.3  開環(huán)系統(tǒng)的對數(shù)頻率特性曲線
    5.4.4  傳遞函數(shù)的頻域?qū)嶒灤_定
   5.5  奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)
    5.5.1  引言
    5.5.2  輻角原理
    5.5.3  奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)
    5.5.4  開環(huán)系統(tǒng)含有積分環(huán)節(jié)時奈氏判據(jù)的推廣
    5.5.5  對數(shù)頻率穩(wěn)定性判據(jù)
  5.6  穩(wěn)定裕度
  5.7  控制系統(tǒng)頻率特性與過渡過程的關(guān)系
    5.7.1  控制系統(tǒng)的頻帶寬度
    5.7.2  二階閉環(huán)系統(tǒng)的頻域指標(biāo)與時域指標(biāo)的關(guān)系
    5.7.3  開環(huán)頻域指標(biāo)和時域指標(biāo)的關(guān)系
    5.7.4  閉環(huán)系統(tǒng)頻域指標(biāo)和開環(huán)頻域指標(biāo)的轉(zhuǎn)換
   5.8  設(shè)計實例
   5.9  控制系統(tǒng)頻域響應(yīng)分析中的MATLAB指令
    5.9.1  頻率響應(yīng)的計算方法
    5.9.2  頻率響應(yīng)曲線繪制
   習(xí)題5
第6章  控制系統(tǒng)校正
   6.1  引言
    6.1.1  控制系統(tǒng)校正的基本概念
    6.1.2  控制系統(tǒng)設(shè)計方法
  6.2  頻率法校正的基本概念
    6.2.1  頻率法校正原理
    6.2.2  系統(tǒng)頻域指標(biāo)
    6.2.3  期望的開環(huán)頻率特性
  6.3  常用校正裝置及其特性
    6.3.1  無源超前網(wǎng)絡(luò)
    6.3.2  無源滯后網(wǎng)絡(luò)
    6.3.3  無源滯后-超前網(wǎng)絡(luò)
  6.4  串聯(lián)校正
    6.4.1  串聯(lián)超前校正
    6.4.2  串聯(lián)滯后校正
    6.4.3  串聯(lián)滯后-超前校正
    6.4.4  基于綜合法的串聯(lián)滯后-超前校正
 6.5  標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)法
    6.5.1  按ITAE準(zhǔn)則確定標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)
    6.5.2  按巴特沃斯濾波器確定標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)
    6.5.3  最小節(jié)拍響應(yīng)確定標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)
    6.5.４ 標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)法綜合串聯(lián)校正裝置舉例
  6.6  反饋校正
    6.6.1  反饋校正的一般特性
    6.6.2  比例反饋包圍慣性環(huán)節(jié)
    6.6.3  微分反饋包圍積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)的元件
    6.6.4  微分反饋包圍振蕩環(huán)節(jié)
    6.6.5  一階微分和二階微分反饋包圍由積分環(huán)節(jié)和振蕩環(huán)節(jié)相串聯(lián)組成的元件
  6.7  PID控制器
    6.7.1  PID控制器簡介
    6.7.2  確定PID參數(shù)幾種方法簡介
  6.8  復(fù)合校正
    6.8.1  按擾動補(bǔ)償?shù)膹?fù)合校正
    6.8.2  按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合校正
  6.9  設(shè)計實例
  習(xí)題6
第7章  非線性系統(tǒng)
   7.1  概述
    7.1.1  研究非線性控制理論的意義
    7.1.2  非線性系統(tǒng)的特點
    7.1.3  常見非線性特性
    7.1.4  非線性系統(tǒng)的分析方法
  7.2  描述函數(shù)法
    7.2.1  描述函數(shù)的基本概念
    7.2.2  描述函數(shù)計算舉例
  7.3  描述函數(shù)分析
    7.3.1  非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
    7.3.2  自激振蕩的穩(wěn)定性
   習(xí)題7
第8章  線性離散系統(tǒng)分析
  8.1  離散控制系統(tǒng)的基本概念
  8.2  信號的采樣與保持
    8.2.1  采樣過程及其數(shù)學(xué)描述
    8.2.2  采樣定理
    8.2.3  信號的復(fù)現(xiàn)
  8.3  z變換理論
    8.3.1  z變換定義
    8.3.2  z變換的求法
    8.3.3  z變換的性質(zhì)
    8.3.4  z反變換
  8.4  離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
    8.4.1  線性常系數(shù)差分方程及其解法
    8.4.2  脈沖傳遞函數(shù)
  8.5  離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差
    8.5.1  離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件
    8.5.2  離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)
    8.5.3  離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差
  8.6  離散系統(tǒng)的時域響應(yīng)
  8.7  應(yīng)用MATLAB分析離散系統(tǒng)
  習(xí)題8
附錄A  拉氏變換與反變換
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   第2章已經(jīng)詳細(xì)講述了如何用數(shù)學(xué)工具描述一個運(yùn)動對象的運(yùn)動。只要知道了對象運(yùn)動的微分方程和所有參數(shù)，就能準(zhǔn)確地算出它的各物理量的變化規(guī)律，尤其是當(dāng)系統(tǒng)初始條件為零時，利用拉氏變換和反變換可方便地得到系統(tǒng)在一般給定輸入信號下的輸出響應(yīng)變化規(guī)律。 但實際的工程問題通常并不滿足于簡單地計算出一個既定對象的運(yùn)動，而往往要問：該對象的某幾個可選參數(shù)應(yīng)當(dāng)如何選擇和組合，甚至應(yīng)當(dāng)如何修改該對象的結(jié)構(gòu)，方能獲得更好的運(yùn)動性能？如果只會解微分方程，要回答這樣的問題就必須對大量方案分別求解微分方程，再比較所得結(jié)果。這顯然很不實際。問題的癥結(jié)在于，從對象的微分方程看不出影響對象運(yùn)動特征的許多因素中，哪些是主要的，哪些是次要的。我們需要的是這樣一類工程分析方法：它雖未必能精確地解出微分方程，卻能提示對象運(yùn)動的主要特征，并提示對象的運(yùn)動主要受哪些參數(shù)的影響，從而知道如何改進(jìn)對象的性能。這種工程分析方法的計算量應(yīng)當(dāng)不太大。 用工程分析方法分析一個控制系統(tǒng)的運(yùn)動時，首先要判定的是該系統(tǒng)的運(yùn)動是否穩(wěn)定。 第1章曾說過，負(fù)反饋是實現(xiàn)控制的基本方法。但是僅僅實現(xiàn)了負(fù)反饋未必就能實現(xiàn)控制，更未必能實現(xiàn)性能滿意的控制。試觀察秋千：以秋千的垂直懸掛位置為基準(zhǔn)，在蕩秋千時，當(dāng)秋千擺到南邊，就把它向北推；擺到北邊，就向南推，這也是負(fù)反饋控制。但這樣“控制”的結(jié)果，不但不能使秋千回到垂直位置不動，相反卻使秋千越擺越高，最后在基準(zhǔn)位置的兩側(cè)形成大幅度的等幅振蕩。設(shè)計的不好的負(fù)反饋控制系統(tǒng)的被控量也會出現(xiàn)與此類似的振蕩。在技術(shù)上就說該反饋系統(tǒng)不穩(wěn)定，不穩(wěn)定的負(fù)反饋系統(tǒng)顯然根本不可能實現(xiàn)自動控制，工程上不能接受。

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