自動控制原理

前言

　　在科學技術發(fā)展的進程中，自動控制技術一直起著極其重要的作用。自動控制理論作為一門涉及多學科的科學，已廣泛應用到電氣、機械、化工、冶金、航空航天、核反應等工程領域，并進一步擴展和滲透到生物、醫(yī)學、社會、經(jīng)濟、金融和生命科學等工程領域以外的范圍。隨著科學技術的高速發(fā)展，人類在過去的20世紀和已經(jīng)跨入的21世紀中，利用自動控制技術已經(jīng)和正在把許多夢想變成現(xiàn)實?！　∽詣涌刂圃硎亲詣涌刂萍夹g的基礎理論，是一門理論性較強的工程科學。從20世紀40年代經(jīng)典控制理論體系建立至今，自動控制技術一直是伴隨著生產(chǎn)實際的需要發(fā)展起來的，其理論也在實際應用和與其他相關學科交叉滲透中日臻完善，并不斷發(fā)展和創(chuàng)新。隨著現(xiàn)代科學的日新月異，自動控制理論已經(jīng)成為應用最為廣泛的學科之一，其發(fā)展?jié)摿κ遣豢上蘖康摹！　”緯饕菫楣た圃盒７亲詣踊瘜I(yè)本科生自動控制理論教學和信息學科平臺課程的教學而編寫的教材，適合少學時數(shù)自動控制原理教學需要，有關專業(yè)可根據(jù)實際情況選擇部分內(nèi)容進行教學。　　本書主要介紹自動控制理論的基本概念、基本原理和基本分析方法，全書共分7章。第1章給出了控制理論和控制系統(tǒng)的基本概念、定義、一般要求和控制理論的發(fā)展過程；第2章主要介紹線性系統(tǒng)數(shù)學模型的建立，模型的表示方法；第3章對線性系統(tǒng)時域分析的基本方法進行了闡述，主要討論了系統(tǒng)穩(wěn)定性、瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能分析，以及二階系統(tǒng)性能指標和計算方法；第4章介紹線性系統(tǒng)頻率特性的概念和頻域分析方法，頻率特性的圖形表示以及頻域指標的計算；第5章介紹線性系統(tǒng)校正的原理和方法，著重討論了PID控制器的設計及其在系統(tǒng)校正中的作用；第6章討論了離散系統(tǒng)的基本理論和分析方法；第7章介紹了現(xiàn)代控制理論的有關內(nèi)容，主要包括狀態(tài)空間模型的建立、系統(tǒng)的能控性和能觀性等?！　”敬涡抻営扇A中科技大學王敏教授和秦肖臻副教授完成。其中，1、3、4章由王敏編寫，2、5、6、7章由秦肖臻編寫，全書由王敏統(tǒng)稿?！　”緯鴥?nèi)容的電子文檔可為使用本教材的大專院校制作教學課件時提供參考，如有需要可與編者聯(lián)系。　　限于編者水平和時間，書中如有錯誤和不妥之處，請讀者不吝指正。

內(nèi)容概要

　　《高等學校規(guī)劃教材·自動控制原理（第2版）（非自動化專業(yè)適用）》介紹了自動控制原理的基本概念和方法，包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容，適合作為信息學科本科學生平臺課程教材和非自動控制專業(yè)理工科學生的教材。全書共分7章，第1章緒論，引入控制系統(tǒng)的基本概念、定義、術語；第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，介紹連續(xù)系統(tǒng)的時域模型、復域模型、狀態(tài)空間描述；第3章線性系統(tǒng)的時域分析，對系統(tǒng)動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和穩(wěn)定性進行分析的方法作了詳細的討論；第4章線性系統(tǒng)的頻域分析，介紹線性系統(tǒng)的頻率特性和頻域分析方法；第5章線性系統(tǒng)的校正，介紹線性系統(tǒng)校正的原理和方法，著重討論了PID控制器的設計及其在系統(tǒng)校正中的作用。第6章采樣系統(tǒng)分析，介紹了z變換、脈沖傳遞函數(shù)以及離散系統(tǒng)的分析方法；第7章狀態(tài)空間分析設計，討論了線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析和基本設計方法，各學校可根據(jù)專業(yè)需要，選擇有關章節(jié)組織教學?！　　陡叩葘W校規(guī)劃教材·自動控制原理（第2版）（非自動化專業(yè)適用）》的特點是內(nèi)容精煉，重點突出，強調(diào)基本概念、基本原理的掌握與應用，特別適合少學時數(shù)自動控制原理教學的要求。

書籍目錄

1　緒論1.1　自動控制的基本概念1.1.1　基本概念1.1.2　開環(huán)控制與閉環(huán)控制的實例1.2　自動控制理論的發(fā)展1.2.1　經(jīng)典控制理論1.2.2　現(xiàn)代控制理論1.2.3　大系統(tǒng)理論1.2.4　智能控制1.3　控制系統(tǒng)的分類1.3.1　恒值系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)1.3.2　線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)1.3.3　連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)1.4　對控制系統(tǒng)的基本要求1.4.1　穩(wěn)定性1.4.2　動態(tài)性能1.4.3　穩(wěn)態(tài)性能本章小結習題2　控制系統(tǒng)的數(shù)學模型2.1　基本概念2.1.1　數(shù)學模型2.1.2　控制系統(tǒng)2.2　時域模型——微分方程2.2.1　建立系統(tǒng)或元件微分方程的步驟2.2.2　典型系統(tǒng)的微分方程2.2.3　非線性方程線性化方法2.3　復域模型——傳遞函數(shù)2.3.1　傳遞函數(shù)的定義2.3.2　傳遞函數(shù)的性質(zhì)和物理意義2.3.3　典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)2.3.4　傳遞函數(shù)的表示方式和術語2.4　控制系統(tǒng)方塊圖2.4.1　方塊圖簡介2.4.2　方塊圖的化筒2.4.3　閉環(huán)系統(tǒng)的方塊圖和傳遞函數(shù)2.5　狀態(tài)空間模型2.5.1　狀態(tài)變量表達式相關概念2.5.2　由微分方程建立狀態(tài)變量表達式2.5.3　狀態(tài)變量表達式和傳遞函數(shù)的關系本章小結習題3　線性系統(tǒng)的時域分析3.1　系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析3.1.1　穩(wěn)定的概念3.1.2　穩(wěn)定的充要條件3.1.3　勞斯穩(wěn)定判據(jù)3.2　二階系統(tǒng)的動態(tài)性能分析3.2.1　典型輸入信號3.2.2　動態(tài)性能指標3.2.3　二階系統(tǒng)的時域響應3.2.4　高階系統(tǒng)的時域響應3.3　系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析3.3.1　穩(wěn)態(tài)誤差的定義3.3.2　輸入信號作用下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差3.3.3　擾動信號作用時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差本章小結習題4　線性系統(tǒng)的頻域分析4.1　線性系統(tǒng)的頻率響應4.2　頻率特性的圖形表示4.2.1　幅相頻率特性曲線4.2.2　對數(shù)頻率特性曲線4.3　奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)4.3.1　奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的數(shù)學基礎4.3.2　奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)4.4　控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性4.4.1　相對穩(wěn)定性4.4.2　穩(wěn)定裕度的求取4.5　頻域響應分析4.5.1　頻率性能指標4.5.2　頻域指標與時域指標的關系本章小結習題5　線性系統(tǒng)的校正……6　采樣系統(tǒng)分析7　狀態(tài)空間分析設計參考文獻

章節(jié)摘錄

　　智能控制的任務在于對實際環(huán)境或過程進行組織，即決策和規(guī)劃，實現(xiàn)廣義問題的求解。這些問題的求解過程與人腦的思維程度具有一定的相似性，即具有不同程度的智能。一般認為，智能控制的方法包括學習控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡控制和專家控制等?！　￠L期以來，自動控制科學已對整個科學技術的理論和實踐作出了重要貢獻，為人類社會帶來了巨大利益。隨著社會進步和科學技術的發(fā)展，必將對控制學科提出更高的要求，自動控制既面臨嚴峻的挑戰(zhàn)又存在良好的發(fā)展機遇，為解決這一問題，一方面需要推進硬件、軟件和智能的結合，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化；另一方面要實現(xiàn)自動控制科學與計算機科學、信息科學、系統(tǒng)科學以及人工智能的結合，為自動控制提供新思想、新方法和新技術，創(chuàng)立邊緣新學科，推動自動控制的發(fā)展?！　?.3 控制系統(tǒng)的分類　　自動控制系統(tǒng)有很多分類的方法，如按照系統(tǒng)的控制方式分類，可將系統(tǒng)分為開環(huán)控制與閉環(huán)控制系統(tǒng)；按照信號的連接特點分類，可分為反饋控制、前饋控制以及含有反饋和前饋的復合控制系統(tǒng)；按系統(tǒng)功用可分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)……；按系統(tǒng)的性能可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)、定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)、確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)等。幾種常見的分類描述如下?！　?.3.1 恒值系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)　　按輸入信號的形式可將系統(tǒng)分為恒值系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)。恒值系統(tǒng)是指參考輸入量保持常值的系統(tǒng)。其任務是消除或減少擾動信號對系統(tǒng)輸出的影響，使被控制量（即系統(tǒng)的輸出量）保持在給定或希望的數(shù)值上。如工業(yè)控制中的電機調(diào)速系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和位置控制系統(tǒng)等。隨動系統(tǒng)是指參考輸入量隨時間任意變化的系統(tǒng)。其任務是要求輸出量以一定的精度和速度跟蹤參考輸入量，跟蹤的速度和精度是隨動系統(tǒng)的兩項主要性能指標?！　?.3.2 線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)　　按組成系統(tǒng)的元件特性可將系統(tǒng)分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)是指構成系統(tǒng)的所有元件都是線性元件的系統(tǒng)。其動態(tài)性能可用線性微分方程描述，系統(tǒng)滿足疊加原理。非線性系統(tǒng)是指構成系統(tǒng)的元件中含有非線性元件的系統(tǒng)，它只能用非線性微分方程描述，不滿足疊加原理。實際中，理想的線性系統(tǒng)是不存在的，構成系統(tǒng)的元件中總會或多或少含有非線性特性，如果系統(tǒng)的這種非線性特性在一定條件下，或在一定范圍內(nèi)呈線性特性，則可將它們進行線性化處理，這類系統(tǒng)或元件的特性稱為非本質(zhì)非線性特性。反之，稱之為本質(zhì)i非線性，只能用非線性理論進行分析研究。

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