自動控制原理簡明教程

前言

本教材針對本科院校非控制專業(yè)的少學(xué)時(shí)課程教學(xué)需要編寫，力求通俗易懂又簡明實(shí)用。在編寫過程中，我們深刻體會要做到這兩點(diǎn)并非易事。首先，本課程涉及的知識面很寬，要用較少的篇幅闡明眾多的基本概念必須采用十分精練的講法。內(nèi)容的取舍，知識的串聯(lián)和表達(dá)都需要周密地思量。其次，本課程是前輩們從許多具體的事例分析中抽象出來的理論，依賴于艱深的數(shù)學(xué)和抽象的思維，很難通俗地解釋。為此，我們試圖用最為直接的簡略方式導(dǎo)出這些理論，盡量不用艱深的數(shù)學(xué)證明，而加大應(yīng)用和操作的比重，引導(dǎo)讀者在應(yīng)用理論中理解理論。再次，本課程的核心內(nèi)容是系統(tǒng)分析方法。傳統(tǒng)的教學(xué)體系是從分析方法的介紹到算例的分析，學(xué)生從例題模仿到自己解題，離實(shí)際應(yīng)用問題還有相當(dāng)?shù)木嚯x。尤其是缺少基本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念，雖掌握了孤立的分析技能，卻解決不了簡單的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析問題。因此，我們特別強(qiáng)化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本概念，希望學(xué)生每學(xué)一項(xiàng)分析技能以后，都自然地知道如何用到相應(yīng)的設(shè)計(jì)中去。本書突出的是自動控制系統(tǒng)的特性分析方法和控制器的初步設(shè)計(jì)理念。我們所期待的一個(gè)控制工程師或科技人員面對一個(gè)自動控制系統(tǒng)時(shí)可表現(xiàn)的能力是：首先，他會用方框圖變換或信號流圖法將該系統(tǒng)分解成環(huán)節(jié)或綜合成大的系統(tǒng)；其次，他會用機(jī)理建?；?qū)嶒?yàn)建模法建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可能是傳遞函數(shù)或是狀態(tài)方程形式；第三，他會用系統(tǒng)分析方法分析出系統(tǒng)的基本特性，比如說，穩(wěn)定性、快速性或穩(wěn)態(tài)誤差；第四，他會用控制器的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)控制器或利用系統(tǒng)分析方法改進(jìn)系統(tǒng)特性。自動控制系統(tǒng)特性分析方法可主要分為時(shí)域法、根軌跡法、頻域法和狀態(tài)空間法四種。前三種方法都是基于傳遞函數(shù)模型，第四種方法基于狀態(tài)方程模型。時(shí)域法是最基本的，它以階躍響應(yīng)直觀地定義了時(shí)域性能指標(biāo)，用勞斯判據(jù)可輕松判別系統(tǒng)穩(wěn)定性，用穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)可定量分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。根軌跡法則利用變開環(huán)增益在閉環(huán)根平面上展示系統(tǒng)的動態(tài)特性變化。頻域法則利用對數(shù)幅頻特性曲線直觀地表示了系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。狀態(tài)空間法則可利用矩陣變換分析出系統(tǒng)的可控性和可觀性。狀態(tài)空間法屬于現(xiàn)代控制理論，本書篇幅有限，只介紹了狀態(tài)空問模型和時(shí)域解。

內(nèi)容概要

本書為21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材。 　　本書共分為八章，內(nèi)容包括控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)論、控制系統(tǒng)的根軌跡分析與設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的頻域分析與設(shè)計(jì)、離散控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)以及非線性控制系統(tǒng)的分析等。     本書可以作為普通高等院校工學(xué)本科非控制類專業(yè)以及高職高專自動化類專業(yè)的自動控制原理課程教材，也可供從事自動化技術(shù)的工程人員學(xué)習(xí)參考。

書籍目錄

前言第一章　緒論　第一節(jié)　引言　第二節(jié)　反饋控制系統(tǒng)的基本概念　第三節(jié)　方框圖表示法和控制系統(tǒng)組成要素　第四節(jié)　自動控制系統(tǒng)的分類　第五節(jié)　自動控制系統(tǒng)的性能分析　第六節(jié)　自動控制系統(tǒng)的性能要求　習(xí)題一第二章　控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型　第一節(jié)　引言　第二節(jié)　微分方程、傳遞函數(shù)和階躍響應(yīng)　第三節(jié)　機(jī)理分析建模方法　第四節(jié)　典型環(huán)節(jié)的動態(tài)特性　第五節(jié)　方框圖等效轉(zhuǎn)換和信號流圖　第六節(jié)　狀態(tài)空間模型及求解　第七節(jié)　實(shí)驗(yàn)建模方法　習(xí)題二第三章　控制系統(tǒng)的時(shí)域分析　第一節(jié)　引言　第二節(jié)　時(shí)域性能指標(biāo)　第三節(jié)　一階系統(tǒng)的時(shí)域分析　第四節(jié)　二階系統(tǒng)的時(shí)域分析　第五節(jié)　高階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)及簡化分析　第六節(jié)　零極點(diǎn)分布對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的影響　第七節(jié)　控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與代數(shù)判據(jù)　第八節(jié)　控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析及誤差系數(shù)　習(xí)題三  第四章　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)論及時(shí)域設(shè)計(jì)　第一節(jié)　引言　第二節(jié)　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)　第三節(jié)　控制規(guī)律選擇　第四節(jié)　控制器參數(shù)整定　第五節(jié)　串級控制系統(tǒng)　第六節(jié)　前饋控制系統(tǒng)　第七節(jié)　遲延補(bǔ)償控制系統(tǒng)　習(xí)題四第五章　控制系統(tǒng)的根軌跡分析與設(shè)計(jì)　第一節(jié)　引言　第二節(jié)　根軌跡的基本概念　第三節(jié)　繪制根軌跡圖的規(guī)則和方法　第四節(jié)　控制系統(tǒng)的根軌跡分析與設(shè)計(jì)　習(xí)題五第六章　控制系統(tǒng)的頻域分析與設(shè)計(jì)　第一節(jié)　引言　第二節(jié)　頻率特性的基本概念　第三節(jié)　頻率特性的極坐標(biāo)圖　第四節(jié)　頻率特性的對數(shù)坐標(biāo)圖  　第五節(jié)　控制系統(tǒng)的奈氏圖分析  　第六節(jié)　控制系統(tǒng)的伯德圖分析  　第七節(jié)　閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性分析  　第八節(jié)　控制系統(tǒng)的頻域設(shè)計(jì)　習(xí)題六第七章　離散控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)　第一節(jié)　引言　第二節(jié)　連續(xù)信號的采樣和復(fù)現(xiàn)  　第三節(jié)　離散控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型　第四節(jié)　離散控制系統(tǒng)的性能分析　第五節(jié)　離散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)　習(xí)題七第八章　非線性控制系統(tǒng)的分析　第一節(jié)　引言　第二節(jié)　非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)分析　第三節(jié)　非線性控制系統(tǒng)的相平面分析　習(xí)題八　附錄A　拉普拉斯變換表及定理　附錄B　用拉氏變換求解微分方程　附錄C　Z變換表及定理　附錄D　Z反變換解算　附錄E　典型系統(tǒng)的根軌跡圖  　附錄F　習(xí)題參考答案  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第一章 緒論第一節(jié) 引言在科學(xué)技術(shù)和工程應(yīng)用的發(fā)展過程中，自動控制理論與技術(shù)起著十分重要的作用。應(yīng)用自動控制理論與技術(shù)，能幫助人類把曾認(rèn)為做不到的事情變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。人造衛(wèi)星、宇宙飛船、人類登上月球、導(dǎo)彈制導(dǎo)、自動駕駛等高精尖的項(xiàng)目和工程都離不開自動控制科學(xué)與技術(shù)。在各種工業(yè)部門，如石油、化工、冶金、機(jī)械、輕工、電子、汽車、通信、航空、航天、電力等，也都廣泛應(yīng)用自動控制理論與技術(shù)。隨著自動控制理論和實(shí)踐的不斷發(fā)展及完善，其在經(jīng)濟(jì)、管理、生物、社會學(xué)、生態(tài)等各種非工程領(lǐng)域，也得到廣泛應(yīng)用。因此，自動控制科學(xué)技術(shù)已成為最有發(fā)展前途的科學(xué)技術(shù)之一，它的發(fā)展趨勢更是不可限量?？梢院敛豢鋸埖卣f，自動控制科學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會中不可或缺的組成部分。一、控制的含義控制（contr01），可定義為某個(gè)主體使某個(gè)客體按照一定的目的來動作。例如，一個(gè)人駕駛汽車去某處這樣一種行為，就是實(shí)現(xiàn)了一種控制。這里，人是主體，汽車是客體，去某處為目的。因此可以說，上述行為是一個(gè)主體（人）為了一定的目的控制了一個(gè)客體（汽車）。我們通常把主體是人的控制稱為人工控制，把主體是機(jī)器的控制稱為自動控制。前者如人駕駛汽車；后者如無人駕駛飛機(jī)。如果主體是由人和機(jī)器共同組成，則稱為半自動控制，例如用普通洗衣機(jī)洗衣，可以定時(shí)自動停止旋轉(zhuǎn)，但要由人來設(shè)定時(shí)間。

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