自動控制原理

前言

自動控制原理課程是高等工科院校電氣信息類專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，幾乎遍及電類及非電類的各個工程技術(shù)學(xué)科。隨著科學(xué)的進(jìn)步，特別是近年來高集成度與高速數(shù)字技術(shù)的飛躍發(fā)展，新材料、新工藝和新器件的不斷出現(xiàn)，使各技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域和現(xiàn)代化工業(yè)的面貌發(fā)生了深刻和巨大的變化。當(dāng)今科技革命的特征是以信息技術(shù)為核心，促使社會由電氣化時代進(jìn)入信息時代，并以知識密集產(chǎn)業(yè)作為主體產(chǎn)業(yè)。在人類面臨21世紀(jì)的新問題、新技術(shù)和新機(jī)遇的挑戰(zhàn)所進(jìn)行的教育改革中，加強(qiáng)素質(zhì)培養(yǎng)，淡化專業(yè)，拓寬基礎(chǔ)，促進(jìn)各學(xué)科與專業(yè)的交叉與滲透業(yè)已成為不可逆轉(zhuǎn)的世界潮流。為了適應(yīng)我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)和以信息技術(shù)為核心的高新技術(shù)迅猛發(fā)展的需要，依據(jù)我國當(dāng)前電氣工程學(xué)科課程設(shè)置與教學(xué)改革的實際情況，在編寫中，特別注意和“信號與系統(tǒng)”內(nèi)容的銜接，避免不必要的重復(fù)。學(xué)習(xí)自動控制理論的目的主要在于應(yīng)用。對于工科學(xué)生應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)設(shè)計與綜合能力的培養(yǎng)，特別是在學(xué)生已經(jīng)有了“信號與系統(tǒng)”關(guān)于系統(tǒng)基本分析方法基礎(chǔ)的情況下，更應(yīng)如此。所以本書以設(shè)計為主線來講述自動控制的基本理論。本書主要的內(nèi)容，也就是控制系統(tǒng)要解決的兩個問題，即系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計。控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計是兩個互逆的研究過程，前者是從已知確定系統(tǒng)出發(fā)，分析計算系統(tǒng)所具有的性能指標(biāo)，而后者則是根據(jù)要求的性能指標(biāo)來確定系統(tǒng)應(yīng)具備的結(jié)構(gòu)模式。系統(tǒng)分析是在描述系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)的方法來進(jìn)行研究討論的。因此，必須在規(guī)定的工作條件下，對已知系統(tǒng)進(jìn)行以下步驟的工作：(1)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；(2)分析系統(tǒng)的性能，計算三大性能指標(biāo)是否滿足要求；(3)討論系統(tǒng)性能指標(biāo)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)的關(guān)系。系統(tǒng)設(shè)計的目的，是在給出被控對象及其技術(shù)指標(biāo)要求的情況下，尋找一個能夠完成既定控制任務(wù)，滿足所要求技術(shù)指標(biāo)的自動控制系統(tǒng)。而在控制系統(tǒng)的主要元件和結(jié)構(gòu)形式確定的前提下，設(shè)計任務(wù)往往是需要改變系統(tǒng)的某些參數(shù)或加入某種裝置(有時還需要改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu))，使其滿足要求的性能指標(biāo)。這種附加的裝置稱為校正裝置，這個過程稱為對系統(tǒng)進(jìn)行校正。

內(nèi)容概要

本書主要介紹分析和設(shè)計反饋控制系統(tǒng)的經(jīng)典理論和應(yīng)用方法。全書共8章，內(nèi)容包括自動控制系統(tǒng)的基本概念，自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，自動控制系統(tǒng)的時域分析法、根軌跡法、頻率特性法，控制系統(tǒng)的校正，非線性控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)的分析和綜合應(yīng)用等。在每章后面分別介紹了MATLAB在自動控制理論中的一些應(yīng)用，以及如何利用計算機(jī)輔助設(shè)計方法解決自動控制領(lǐng)域的一些系統(tǒng)分析和設(shè)計問題。同時，各章均提供了一定數(shù)量的習(xí)題與MATLAB實驗題，以幫助讀者理解基本概念并掌握分析和設(shè)計方法。        本書可作為高等工科院校自動化及相關(guān)專業(yè)的教材，也可供從事自動化方面工作的科技人員學(xué)習(xí)參考。

書籍目錄

第1章　控制系統(tǒng)的基本概念  1.1  引言  1.2　開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)    1.2.1　開環(huán)控制系統(tǒng)    1.2.2　閉環(huán)控制系統(tǒng)  1.3  自動控制系統(tǒng)的組成    1.3.1　基本組成部分    1.3.2  自動控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語  1.4  自動控制系統(tǒng)的分類    1.4.1　按輸入信號的特點分類    1.4.2　按描述系統(tǒng)的動態(tài)方程分類    1.4.3　按系統(tǒng)的參數(shù)是否隨時間而變化分類    1.4.4　按信號的傳遞是否連續(xù)分類  1.5  自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例    1.5.1　爐溫控制系統(tǒng)    1.5.2　導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)    1.5.3　計算機(jī)控制系統(tǒng)  1.6　自動控制理論發(fā)展簡史  1.7　對自動控制系統(tǒng)的基本要求    習(xí)題第2章  自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型  2.1　控制系統(tǒng)微分方程的建立    2.1.1　機(jī)械系統(tǒng)    2.1.2  電系統(tǒng)——RLC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)    2.1.3　機(jī)電系統(tǒng)  2.2　非線性系統(tǒng)微分方程的線性化    2.2.1　小偏差線性化的概念    2.2.2　非線性系統(tǒng)（元件）線性化處理舉例    2.2.3　系統(tǒng)線性化的條件及步驟  2.3　傳遞函數(shù)    2.3.1　傳遞函數(shù)的定義和性質(zhì)    2.3.2　用復(fù)數(shù)阻抗法求電網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)    2.3.3　典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)  2.4　控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖及其等效變換    2.4.1　結(jié)構(gòu)圖的基本概念    2.4.2　結(jié)構(gòu)圖的組成    2.4.3　結(jié)構(gòu)圖的建立    2.4.4　結(jié)構(gòu)圖的等效變換  2.5  自動控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)    2.5.1　系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)    2.5.2　閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)    2.5.3　閉環(huán)系統(tǒng)的偏差傳遞函數(shù)  2.6　信號流圖    2.6.1　信號流圖的基本要素    2.6.2　信號流圖的常用術(shù)語    2.6.3　信號流圖的性質(zhì)    2.6.4　信號流圖的等效變換法則    2.6.5　梅遜（Mason）公式  2.7　脈沖響應(yīng)函數(shù)  2.8　控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的MATLAB實現(xiàn)      2.8.1  MATLAB簡介    2.8.2　控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型    2.8.3　應(yīng)用舉例    習(xí)題    MATLAB實驗第3章　控制系統(tǒng)的時域分析法  3.1　典型輸入信號和時域性能指標(biāo)    3.1.1　典型輸入信號    3.1.2　動態(tài)過程與穩(wěn)態(tài)過程    3.1.3　時域性能指標(biāo)  3.2　一階系統(tǒng)的動態(tài)性能    3.2.1　一階系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型    3.2.2　一階系統(tǒng)的重要特性  3.3　二階系統(tǒng)的動態(tài)性能　　……第4章　根軌跡法第5章　頻率特性法第6章　控制系統(tǒng)的校正第7章　非線性控制系統(tǒng)第8章　離散控制系統(tǒng)的分析和綜合附錄A　經(jīng)典控制理論常用詞匯中英文對照表附錄B　控制系統(tǒng)分析中的MATLAB常用函數(shù)附錄C　拉普拉斯變換及有關(guān)性質(zhì)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章　控制系統(tǒng)的基本概念 1.1 引言在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用。所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用自動控制裝置（或稱為控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱為被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。例如，數(shù)控車床按照預(yù)定的程序自動地切削工件、化學(xué)反應(yīng)爐的溫度和壓力自動地維持恒定、熱軋廠中對金屬板厚度的控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)引導(dǎo)導(dǎo)彈準(zhǔn)確命中目標(biāo)、人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)和指揮儀控制火炮射擊的高低和方位等，所有這一切都是以應(yīng)用高水平的自動控制技術(shù)為前提的。 隨著自動控制技術(shù)的應(yīng)用和迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的問題，這些問題的出現(xiàn)要求從理論上加以解決。自動控制理論正是在解決這些實際技術(shù)問題的過程中逐步形成和發(fā)展起來的。它是研究有關(guān)自動控制問題共同規(guī)律的一門技術(shù)科學(xué)，是自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，根據(jù)發(fā)展的不同階段，其內(nèi)容可分為經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論。經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入一單輸出的自動控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題，主要研究方法有時域分析法、頻率特性法、根軌跡法?，F(xiàn)代控制理論以矩陣?yán)碚摰冉鷶?shù)學(xué)方法作為工具，研究多輸入一多輸出、時變、非線性等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計，其主要研究方法是狀態(tài)空間法。目前，自動控制理論還在繼續(xù)發(fā)展，正向以控制論、信息論、仿生學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制理論深入。智能控制理論以人工智能理論為基礎(chǔ)，研究具有模糊性、不確定性、不完全性、偶然性的系統(tǒng)。

編輯推薦

《自動控制原理(第2版)》由清華大學(xué)出版社出版的。

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