自動控制原理

前言

自動控制原理是自動化學科的重要理論基礎，是專門研究有關(guān)自動控制系統(tǒng)中基本概念、基本原理和基本方法的一門課程，也是高職院校自動化類專業(yè)的一門核心基礎理論課程。學好自動控制理論，對掌握自動化技術(shù)有著重要作用。信息技術(shù)瞬息萬變，高職高專教材應該具有基礎性、全面性、系統(tǒng)性、先進性和通俗性等特點，以適應我國高等職業(yè)教育的發(fā)展，滿足高等職業(yè)技術(shù)教育的需要。由此，作者根據(jù)多年的教學和實踐經(jīng)驗，并查閱和參考了許多相關(guān)的書籍和資料，編寫了本書。本書淺顯易懂，選材廣泛適當，覆蓋面廣，推理嚴謹。全書共安排九章內(nèi)容，包括自動控制系統(tǒng)簡介、拉氏變換、自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、時域分析、根軌跡分析法、頻域分析、系統(tǒng)的校正與設計、采樣控制系統(tǒng)基礎、自動控制原理實驗指導。為了便于組織教學和學習，全書每章均設有“本章導讀”、“學習目標”，明確教學重點和基本要求；每章結(jié)束均設有“本章小結(jié)”，便于教學歸納總結(jié)與提升理解層次與復習效果。此外，書中安排有相應實例，并將MATLAB引入本書，作為補充內(nèi)容與能力提升的一種手段。同時，為了加深學生對課程內(nèi)容的理解和掌握，每章均有一定量的習題。本書中習題有兩類，其中，題號前加“*”的為難度較大的題，適合深入學習。為了配合教學，本書配備了豐富的教學資源，可從經(jīng)濟科學出版社網(wǎng)站下載。本書在編著過程中，作者力求采用先進的教學思想和教學方法，使學生可以在掌握基本關(guān)鍵點的同時又能對理論有一定了解，方便后續(xù)學習，為有志于深人學習的學生留有一定余地。本書將理論與實踐相結(jié)合，對于培養(yǎng)動手能力同樣大有裨益。本書第1、3、4、7、8章由郝瑞婷撰稿，第2、5、6、9章由林月波撰稿，全書文稿的整理、修改、定稿由曹愛文完成。本書可作為高等職業(yè)院校、高等?？圃盒?、成人高校、民辦高校及本科院校舉辦的二級職業(yè)技術(shù)學院的電氣與自動控制類、機電類、計算機類、應用電子等專業(yè)的教材，也可供相關(guān)人員參考。由于編者水平有限，時間也比較倉促，書中難免存在不足和考慮不周之處，望專家和讀者批評指正，在此深表謝意。

內(nèi)容概要

本書淺顯易懂，選材廣泛適當，覆蓋面廣，推理嚴謹。全書共安排九章內(nèi)容，包括自動控制系統(tǒng)簡介、拉氏變換、自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、時域分析、根軌跡分析法、頻域分析、系統(tǒng)的校正與設計、采樣控制系統(tǒng)基礎、自動控制原理實驗指導。為了便于組織教學和學習，全書每章均設有“本章導讀”、“學習目標”，明確教學重點和基本要求；每章結(jié)束均設有“本章小結(jié)”，便于教學歸納總結(jié)與提升理解層次與復習效果。此外，書中安排有相應實例，并將MATLAB引入本書，作為補充內(nèi)容與能力提升的一種手段。同時，為了加深學生對課程內(nèi)容的理解和掌握，每章均有一定量的習題。

書籍目錄

第1章  自動控制系統(tǒng)簡介  1.1  自動控制系統(tǒng)概述    1.1.1  歷史回顧    1.1.2  自動控制系統(tǒng)舉例    1.1.3  自動控制系統(tǒng)術(shù)語  1.2  開環(huán)控制與閉環(huán)控制    1.2.1  反饋控制系統(tǒng)    1.2.2  開環(huán)控制系統(tǒng)    1.2.3  閉環(huán)控制系統(tǒng)    1.2.4  開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的對比  1.3  自動控制系統(tǒng)的組成與工作原理  1.4  自動控制系統(tǒng)的類型    1.4.1  按照信號流向進行劃分    1.4.2  按照輸入信號進行劃分    1.4.3  按照是否與時間相關(guān)進行劃分    1.4.4  按照信號是否為脈沖形式進行劃分    1.4.5  按照輸入輸出量的數(shù)量進行劃分  1.5  對自動控制系統(tǒng)的基本要求第2章  拉氏變換  2.1  復數(shù)與復變函數(shù)    2.1.1  復數(shù)與復變函數(shù)    2.1.2  歐拉公式  2.2  拉氏變換的基本定義  2.3  常用函數(shù)的拉氏變換    2.3.1  指數(shù)函數(shù)的拉氏變換    2.3.2  階躍函數(shù)的拉氏變換    2.3.3  斜坡函數(shù)的拉氏變換    2.3.4  正弦、余弦函數(shù)的拉氏變換    2.3.5  平移函數(shù)的拉氏變換    2.3.6  脈動函數(shù)的拉氏變換    2.3.7  脈沖函數(shù)的拉氏變換  2.4  拉氏變換的其他內(nèi)容    2.4.1  f(t)與e-at相乘    2.4.2  時間比例尺定理    2.4.3  拉氏積分收斂域  2.5  拉氏變換相關(guān)定理    2.5.1  疊加定理    2.5.2  實微分定理    2.5.3  實積分定理    2.5.4  復微分定理    2.5.5  卷積積分定理    2.5.6  初值定理    2.5.7  終值定理    2.5.8  延遲定理    2.5.9  復頻域的位移定理  2.6  拉氏反變換    2.6.1  拉氏反變換的定義    2.6.2  拉氏反變換    2.6.3  部分分式展開法  2.7  應用拉氏變換求解微分方程  2.8  應用MATLAB進行部分分式展開    2.8.1  用MATLAB進行部分分式展開    2.8.2  用MATLAB進行拉氏變換與反變換第3章  自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型  3.1  線性自動控制系統(tǒng)的微分方程  3.2  微分方程的線性化方法  3.3  傳遞函數(shù)與脈沖響應函數(shù)    3.3.1  傳遞函數(shù)的定義及其說明    3.3.2  脈沖響應函數(shù)  3.4  典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)    3.4.1  比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)    3.4.2  積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)    3.4.3  微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)    3.4.4  慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)    3.4.5  一階微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)    3.4.6  振蕩環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)    3.4.7  延遲環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)  3.5  方框圖    3.5.1  方框圖的定義    3.5.2  方框圖的構(gòu)成    3.5.3  環(huán)節(jié)之間的連接    3.5.4  閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖    3.5.5  方框圖的簡化與變換  3.6  控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)    3.6.1  開環(huán)傳遞函數(shù)與前向傳遞函數(shù)    3.6.2  閉環(huán)傳遞函數(shù)    3.6.3  誤差傳遞函數(shù)  3.7  應用MATLAB求解串聯(lián)、并聯(lián)與閉環(huán)傳遞函數(shù)  3.8  建立與化簡控制系統(tǒng)數(shù)學模型實例第4章  時域分析  4.1  時域響應    4.1.1  時域響應的定義    4.1.2  典型試驗信號    4.1.3  瞬態(tài)響應與穩(wěn)態(tài)響應  4.2  時域響應的性能指標    4.2.1  穩(wěn)態(tài)性能指標    4.2.2  動態(tài)性能指標  4.3  系統(tǒng)的穩(wěn)定性    4.3.1  穩(wěn)定性的定義    4.3.2  絕對穩(wěn)定性與相對穩(wěn)定性    4.3.3  系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件  4.4  系統(tǒng)穩(wěn)定性的判定    4.4.1  勞斯判據(jù)    4.4.2  赫爾維茨判據(jù)    4.4.3  系統(tǒng)參數(shù)對穩(wěn)定性的影響    4.4.4  不穩(wěn)定系統(tǒng)的改進  4.5  一階系統(tǒng)的時域響應    4.5.1  單位階躍響應    4.5.2  單位斜坡響應    4.5.3  單位脈沖響應    4.5.4  線性定常系統(tǒng)的特性  4.6  二階系統(tǒng)的時域響應    4.6.1  二階系統(tǒng)的定義與模型    4.6.2  單位階躍響應    4.6.3  二階系統(tǒng)與瞬態(tài)響應指標    4.6.4  單位脈沖響應  4.7  穩(wěn)態(tài)誤差    4.7.1  誤差與穩(wěn)態(tài)誤差    4.7.2  系統(tǒng)類型的劃分    4.7.3  穩(wěn)態(tài)誤差分析    4.7.4  穩(wěn)態(tài)誤差的計算    4.7.5  擾動信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差    4.7.6  提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的方法  4.8  給定信號下的穩(wěn)態(tài)誤差與誤差系數(shù)    4.8.1  階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)位置誤差系數(shù)Kp    4.8.2  斜坡輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv    4.8.3  加速度輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)加速度誤差系數(shù)Ka  4.9  應用MATLAB和Simulink進行瞬態(tài)響應分析    4.9.1  單位階躍響應    4.9.2  單位斜坡響應    4.9.3  單位脈沖響應    4.9.4  任意信號下的響應    4.9.5  根據(jù)傳遞函數(shù)求系統(tǒng)響應    4.9.6  階躍響應的性能指標    4.9.7  應用Simulink進行建模與仿真第5章  根軌跡分析法  5.1  根軌跡的基本概念    5.1.1  根軌跡的定義    5.1.2  根軌跡方程與幅角條件和幅值條件  5.2  繪制根軌跡圖的一般規(guī)則  5.3  廣義根軌跡    5.3.1  參數(shù)根軌跡    5.3.2  零度根軌跡  5.4  系統(tǒng)性能分析    5.4.1  確定閉環(huán)極點    5.4.2  應用閉環(huán)主導極點估算系統(tǒng)性能指標    5.4.3  開環(huán)零點對根軌跡的影響    5.4.4  開環(huán)極點對根軌跡的影響  5.5  應用MATLAB繪制根軌跡圖  5.6  根軌跡圖繪制實例第6章  頻域分析  6.1  頻率特性基礎    6.1.1  頻率特性的定義與求取    6.1.2  頻率特性均幾何表示  6.2  典型環(huán)節(jié)的頻率特性    6.2.1  比例環(huán)節(jié)的頻率特性    6.2.2  積分環(huán)節(jié)的頻率特性    6.2.3  微分環(huán)節(jié)的頻率特性    6.2.4  慣性環(huán)節(jié)的頻率特性    6.2.5  振蕩環(huán)節(jié)的頻率特性    6.2.6  延遲環(huán)節(jié)的頻率特性  6.3  開環(huán)頻率特性    6.3.1  開環(huán)頻率特性的定義    6.3.2  繪制系統(tǒng)伯德圖    6.3.3  繪制系統(tǒng)奈奎斯特圖    6.3.4  最小相位系統(tǒng)與非最小相位系統(tǒng)  6.4  閉環(huán)頻率特性    6.4.1  閉環(huán)頻率特性的定義    6.4.2  等M圓(等幅值軌跡)    6.4.3  等N圓(等相角軌跡)    6.4.4  應用等M圓和等N圓求單位反饋系統(tǒng)頻率特性    6.4.5  應用等M圓和等N圓求非單位反饋系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性6.5  頻率特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系    6.5.1  開環(huán)頻率特性與時域響應的關(guān)系    6.5.2  閉環(huán)頻域性能指標與時域性能指標的關(guān)系  6.6  系統(tǒng)穩(wěn)定性的判定    6.6.1  奈奎斯特判據(jù)理論基礎    6.6.2  奈奎斯特判據(jù)的應用    6.6.3  對數(shù)穩(wěn)定判據(jù)  6.7  相對穩(wěn)定性    6.7.1  增益裕量(即幅值裕量)    6.7.2  相位裕量(即相角裕量)  6.8  應用MATLAB進行頻域特性分析    6.8.1  伯德圖    6.8.2  奈奎斯特圖第7章  系統(tǒng)的校正與設計  7.1  系統(tǒng)性能指標    7.1.1  時域性能指標    7.1.2  頻域性能指標    7.1.3  綜合性能指標    7.1.4  性能指標之間的關(guān)系  7.2  系統(tǒng)校正    7.2.1  系統(tǒng)校正的定義    7.2.2  系統(tǒng)校正的方式  7.3  線性系統(tǒng)基本控制規(guī)律(PID)    7.3.1  比例控制(P)    7.3.2  比例—微分控制(PD)    7.3.3  積分控制(Ⅰ)    7.3.4  比例—積分—微分控制(PID)  7.4  校正裝置及其特性與功能    7.4.1  超前校正裝置    7.4.2  滯后校正裝置    7.4.3  滯后超前校正裝置7.5  用頻率法進行系統(tǒng)串聯(lián)校正    7.5.1  超前校正    7.5.2  滯后校正    7.5.3  滯后—超前校正  7.6  應用MATLAB和Simulink進行線性系統(tǒng)設計    7.6.1  超前校正    7.6.2  滯后校正    7.6.3  用Simulink進行線性系統(tǒng)設計與校正第8章  采樣控制系統(tǒng)基礎  8.1  初識離散系統(tǒng)    8.1.1  數(shù)字控制系統(tǒng)    8.1.2  計算機控制系統(tǒng)  8.2  采樣    8.2.1  采樣過程    8.2.2  采樣定理    8.2.3  采樣保持器  8.3  Z變換    8.3.1  Z變換的定義    8.3.2  Z變換的方法    8.3.3  Z變換的性質(zhì)    8.3.4  Z變換的反變換  8.4  脈沖傳遞函數(shù)    8.4.1  脈沖傳遞函數(shù)的定義    8.4.2  開環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)    8.4.3  閉環(huán)系統(tǒng)的脈，中傳遞函數(shù)  8.5  閉環(huán)極點與動態(tài)特性的關(guān)系    8.5.1  實數(shù)極點    8.5.2  復數(shù)極點  8.6  系統(tǒng)穩(wěn)定性分析    8.6.1  z平面內(nèi)的穩(wěn)定條件    8.6.2  z平面與s平面的對應關(guān)系    8.6.3  勞斯穩(wěn)定判據(jù)    8.6.4  朱利穩(wěn)定判據(jù)  8.7  單位輸入下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差    8.7.1  單位階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差    8.7.2  單位斜坡輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差    8.7.3  單位加速度輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差  8.8  MATLAB在采樣控制系統(tǒng)中的應用    8.8.1  連續(xù)系統(tǒng)的離散化    8.8.2  求解系統(tǒng)的響應第9章  自動控制原理實驗指導  9.1  模擬典型環(huán)節(jié)  9.2  二階系統(tǒng)時域響應  9.3  三階系統(tǒng)時域響應  9.4  PID控制器的輸出參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的一門學科。自動控制系統(tǒng)能否很好地工作，被控量能否迅速、精確地跟蹤給定量的變化，這取決于被控對象和控制器及各功能器件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設計。雖然，不同的被控對象對系統(tǒng)性能的具體要求可能不同，但是，對每一類自動控制系統(tǒng)的被控量變化全過程提出的基本要求是一樣的。可以歸結(jié)為穩(wěn)定性、準確性和快速性，即穩(wěn)、準、快的要求。（1）穩(wěn)定性——若系統(tǒng)有擾動或給定輸入量發(fā)生變化，系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生的過渡過程隨時間增長而衰減，而回到（或接近）原來的穩(wěn)定值；或跟蹤變化了的輸入信號，則稱系統(tǒng)穩(wěn)定。這是對反饋控制系統(tǒng)提出的最基本要求。穩(wěn)定性是系統(tǒng)的固有特性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)決定，與外部輸入信號無關(guān)。（2）準確性——穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)精度的重要指標。在參考輸入信號作用下，當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。準確性與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及輸入信號形式有關(guān)。（3）快速性——系統(tǒng)從一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個新的穩(wěn)定狀態(tài)，都需要經(jīng)歷一個過渡過程，快速性對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。由于被控對象具體情況的不同，各種系統(tǒng)對上述三方面性能要求的側(cè)重點也有所不同。例如，隨動系統(tǒng)對快速性和穩(wěn)態(tài)精度的要求較高，而恒值系統(tǒng)一般側(cè)重于穩(wěn)定性能和抗擾動的能力。在同一個系統(tǒng)中，上述三方面的性能要求通常是相互制約的。例如，為了提高系統(tǒng)的動態(tài)響應的快速性和穩(wěn)態(tài)精度，就需要增大系統(tǒng)的放大能力，而放大能力的增強，必然促使系統(tǒng)動態(tài)性能變差，甚至會使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定；反之，若強調(diào)系統(tǒng)動態(tài)過程平穩(wěn)性的要求，系統(tǒng)的放大倍數(shù)就應較小，從而導致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的降低和動態(tài)過程的緩慢。由此可見，系統(tǒng)動態(tài)響應的快速性、高精度與動態(tài)穩(wěn)定性之間是一對矛盾。分析和解決這些矛盾，將是本課程的重要內(nèi)容。

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