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自動控制原理基礎教程(第四版) 版權信息
- ISBN：9787030510051
- 條形碼：9787030510051 ; 978-7-03-051005-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
自動控制原理基礎教程(第四版) 內容簡介
本書精煉地闡述了自動控制的基本理論與應用。全書共九章：前八章著重介紹經典控制理論及應用的主要方面，*后一章介紹現代控制理論中的狀態空間分析及綜合法。
本書強化了工程應用背景，系統介紹了現代MATLAB應用技術，包括建模、時域分析、根軌跡繪制、頻域分析、前饋校正、離散系統分析、描述函數法計算，以及線性系統可控性、可觀測性和李雅普諾夫穩定性判別以及綜合設計等內容。
本書在數學基礎、控制理論、工程應用及MATLAB仿真方面，具有系統性和統一性，適合工科高等院校使用。本書2006年被評為普通高等教育“十一五”***規劃教材，2012年被評為“十二五”普通高等教育本科***規劃教材。
自動控制原理基礎教程(第四版) 目錄
目錄
前言
**章 控制系統導論 1
1-1 自動控制的基本原理 1
1-2 自動控制系統示例 7
1-3 自動控制系統的分類 10
1-4 自動控制系統的基本要求 12
1-5 自動控制系統的分析與設計工具 15
習題 19
第二章 控制系統的數學模型 22
2-1 傅里葉變換與拉普拉斯變換 22
2-2 控制系統的時域數學模型 36
2-3 控制系統的復數域數學模型 45
2-4 控制系統的結構圖與信號流圖 56
2-5 控制系統建模的MATLAB方法 74
習題 76
第三章 線性系統的時域分析法 81
3-1 系統的時域性能指標 81
3-2 一階系統的時域分析 84
3-3 二階系統的時域分析 87
3-4 高階系統的時域分析 104
3-5 線性系統的穩定性分析 108
3-6 線性系統的穩態誤差計算 116
3-7 線性系統時域分析的MATLAB方法 131
習題 133
第四章 線性系統的根軌跡法 136
4-1 根軌跡法的基本概念 136
4-2 常規根軌跡的繪制法則 139
4-3 廣義根軌跡 153
4-4 系統性能的分析 158
4-5 線性系統根軌跡分析的MATLAB方法 161
習題 163
第五章 線性系統的頻域分析法 167
5-1 頻率特性 167
5-2 典型環節與開環系統頻率特性 173
5-3 頻域穩定判據 189
5-4 頻域穩定裕度 198
5-5 閉環系統的頻域性能指標 201
5-6 線性系統頻域分析的MATLAB方法 208
習題 209
第六章 線性系統的校正方法 213
6-1 系統的設計與校正問題 213
6-2 常用校正裝置及其特性 219
6-3 串聯校正 227
6-4 前饋校正 235
6-5 線性系統校正的MATLAB方法 241
習題 243
第七章 線性離散系統的分析 247
7-1 離散系統的基本概念 247
7-2 信號的采樣與保持 254
7-3 z變換理論 262
7-4 離散系統的數學模型 273
7-5 離散系統的穩定性與穩態誤差 289
7-6 離散系統的動態性能分析 297
7-7 線性離散系統分析的MATLAB方法 301
習題 303
第八章 非線性控制系統分析 307
8-1 非線性控制系統概述 307
8-2 常見非線性特性及其對系統運動的影響 311
8-3 描述函數法 315
8-4 非線性系統分析的MATLAB方法 333
習題 335
第九章 線性系統的狀態空間分析與綜合 337
9-1 線性系統的狀態空間描述 337
9-2 線性系統的可控性與可觀測性 362
9-3 線性定常系統的反饋結構及狀態觀測器 386
9-4 李雅普諾夫穩定性分析 398
9-5 狀態空間分析的MATLAB方法 405
習題 411
參考文獻 415
前言
**章 控制系統導論 1
1-1 自動控制的基本原理 1
1-2 自動控制系統示例 7
1-3 自動控制系統的分類 10
1-4 自動控制系統的基本要求 12
1-5 自動控制系統的分析與設計工具 15
習題 19
第二章 控制系統的數學模型 22
2-1 傅里葉變換與拉普拉斯變換 22
2-2 控制系統的時域數學模型 36
2-3 控制系統的復數域數學模型 45
2-4 控制系統的結構圖與信號流圖 56
2-5 控制系統建模的MATLAB方法 74
習題 76
第三章 線性系統的時域分析法 81
3-1 系統的時域性能指標 81
3-2 一階系統的時域分析 84
3-3 二階系統的時域分析 87
3-4 高階系統的時域分析 104
3-5 線性系統的穩定性分析 108
3-6 線性系統的穩態誤差計算 116
3-7 線性系統時域分析的MATLAB方法 131
習題 133
第四章 線性系統的根軌跡法 136
4-1 根軌跡法的基本概念 136
4-2 常規根軌跡的繪制法則 139
4-3 廣義根軌跡 153
4-4 系統性能的分析 158
4-5 線性系統根軌跡分析的MATLAB方法 161
習題 163
第五章 線性系統的頻域分析法 167
5-1 頻率特性 167
5-2 典型環節與開環系統頻率特性 173
5-3 頻域穩定判據 189
5-4 頻域穩定裕度 198
5-5 閉環系統的頻域性能指標 201
5-6 線性系統頻域分析的MATLAB方法 208
習題 209
第六章 線性系統的校正方法 213
6-1 系統的設計與校正問題 213
6-2 常用校正裝置及其特性 219
6-3 串聯校正 227
6-4 前饋校正 235
6-5 線性系統校正的MATLAB方法 241
習題 243
第七章 線性離散系統的分析 247
7-1 離散系統的基本概念 247
7-2 信號的采樣與保持 254
7-3 z變換理論 262
7-4 離散系統的數學模型 273
7-5 離散系統的穩定性與穩態誤差 289
7-6 離散系統的動態性能分析 297
7-7 線性離散系統分析的MATLAB方法 301
習題 303
第八章 非線性控制系統分析 307
8-1 非線性控制系統概述 307
8-2 常見非線性特性及其對系統運動的影響 311
8-3 描述函數法 315
8-4 非線性系統分析的MATLAB方法 333
習題 335
第九章 線性系統的狀態空間分析與綜合 337
9-1 線性系統的狀態空間描述 337
9-2 線性系統的可控性與可觀測性 362
9-3 線性定常系統的反饋結構及狀態觀測器 386
9-4 李雅普諾夫穩定性分析 398
9-5 狀態空間分析的MATLAB方法 405
習題 411
參考文獻 415
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自動控制原理基礎教程(第四版) 節選
**章 控制系統導論 1-1 自動控制的基本原理 1.自動控制技術及其應用 在現代科學技術的眾多領域中，自動控制技術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，利用外加的設備或裝置(稱控制裝置或控制器)，使機器、設備或生產過程(統稱被控對象)的某個工作狀態或參數(即被控量)自動地按照預定的規律運行。例如，數控車床按照預定程序自動地切削工件；化學反應爐的溫度或壓力自動地維持恒定；雷達和計算機組成的導彈發射和制導系統，自動地將導彈引導到敵方目標；無人駕駛飛機按照預定航跡自動升降和飛行；人造衛星準確地進入預定軌道運行并回收等，這一切都是以應用高水平的自動控制技術為前提的。 近幾十年來，隨著電子計算機技術的發展和應用，在宇宙航行、機器人控制、導彈制導以及核動力等高新技術領域中，自動控制技術具有特別重要的作用。不僅如此，自動控制技術的應用范圍現已擴展到生物、醫學、環境、經濟管理和其他許多社會生活領域中，自動控制已成為現代社會活動中不可缺少的重要組成部分。 2.自動控制理論 自動控制理論是研究自動控制共同規律的技術科學。它的發展初期，是以反饋理論為基礎的自動調節原理，主要用于工業控制。第二次世界大戰期間，為了設計和制造飛機及船用自動駕駛儀、火炮定位系統、雷達跟蹤系統以及其他基于反饋原理的軍用裝備，進一步促進并完善了自動控制理論的發展。第二次世界大戰之后，完整的自動控制理論體系已形成，這就是以傳遞函數為基礎的經典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出、線性定常系統的分析和設計問題。 20世紀60年代初期，隨著現代應用數學新成果的推出和電子計算機技術的應用，為適應宇航技術的發展，自動控制理論跨入了一個新階段——現代控制理論。它主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數系統的*優控制問題，主要采用的方法是以狀態為基礎的狀態空間法。目前，自動控制理論還在繼續發展，正向以控制論、信息論、仿生學為基礎的智能控制理論方向深入。 3.反饋控制原理 為了實現各種復雜的控制任務，首先要將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機總體，這就是自動控制系統。在自動控制系統中，被控對象的輸出量即被控量是要求嚴格加以控制的物理量，它可以要求保持為某一恒定值，如溫度、壓力、液位等，也可以要求按照某個給定規律運行，如飛行航跡、記錄曲線等；而控制裝置則是對被控對象施加控制作用的機構的總體，它可以采用不同的原理和方式對被控對象進行控制，但*基本的一種是基于反饋控制原理組成的反饋控制系統。 在反饋控制系統中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實現對被控對象進行控制的任務，這就是反饋控制的原理。 其實，人的一切活動都體現出反饋控制的原理，人本身就是一個具有高度復雜控制能力的反饋控制系統。例如，人用手拿取桌上的書，汽車司機操縱方向盤駕駛汽車沿公路平穩行駛等，這些日常生活中習以為常的平凡動作都滲透著反饋控制的深奧原理。下面，通過解剖手從桌上取書的動作過程，透視一下它所包含的反饋控制機理。在這里，書位置是手運動的指令信息，一般稱為輸入信號。取書時，首先人要用眼睛連續目測手相對于書的位置，并將這個信息送入大腦(稱為位置反饋信息)；然后由大腦判斷手與書之間的距離，產生偏差信號，并根據其大小發出控制手臂移動的命令(稱為控制作用或操縱量)，逐漸使手與書之間的距離(即偏差)減小。顯然，只要這個偏差存在，上述過程就要反復進行，直到偏差減小為零，手便取到了書。可以看出，大腦控制手取書的過程，是一個利用偏差(手與書之間距離)產生控制作用，并不斷使偏差減小直至消除的運動過程；同時，為了取得偏差信號，必須要有手位置的反饋信息，兩者結合起來，就構成了反饋控制。顯然，反饋控制實質上是一個按偏差進行控制的過程，因此，它也稱為按偏差的控制，反饋控制原理就是按偏差控制的原理。 人取物視為一個反饋控制系統時，手是被控對象，手位置是被控量(即系統的輸出量)，產生控制作用的機構是眼睛、大腦和手臂，統稱為控制裝置。我們可以用圖1-1的系統方塊圖來展示這個反饋控制系統的基本組成及工作原理。 圖1-1 人取書的反饋控制系統方塊圖 通常，我們把取出輸出量送回到輸入端，并與輸入信號相比較產生偏差信號的過程，稱為反饋。若反饋的信號是與輸入信號相減，使產生的偏差越來越小，則稱為負反饋；反之，則稱為正反饋。反饋控制就是采用負反饋并利用偏差進行控制的過程，而且，由于引入了被控量的反饋信息，整個控制過程成為閉合過程，因此反饋控制也稱閉環控制。 在工程實踐中，為了實現對被控對象的反饋控制，系統中必須配置具有人的眼睛、大腦和手臂功能的設備，以便用來對被控量進行連續地測量、反饋和比較，并按偏差進行控制。這些設備依其功能分別稱為測量元件、比較元件和執行元件，并統稱為控制裝置。 在工業控制中，龍門刨床速度控制系統就是按照反饋控制原理進行工作的。通常，當龍門刨床加工表面不平整的毛坯時，負載會有很大的波動，但為了保證加工精度和表龍門刨床速度控制系統原理圖面光潔度，一般不允許刨床速度變化過大，因此必須對速度進行控制。圖1-2是利用速度反饋對刨床速度進行自動控制的原理示意圖。圖中，刨床主電動機SM是電樞控制的直流電動機，其電樞電壓由晶閘管整流裝置KZ提供，并通過調節觸發器CF的控制電壓uk來改變電動機的電樞電壓，從而改變電動機的速度(被控量)。測速發電機TG是測量元件，用來測量刨床速度并給出與速度成正比的電壓ut。然后，將ut反饋到輸入端并與給定電壓u0反向串聯便得到偏差電壓。這里，u0是根據刨床工作情況預先設置的速度給定電壓，它與反饋電壓ut相減便形成偏差電壓，因此ut稱為負反饋電壓。一般，偏差電壓比較微弱，需經放大器FD放大后才能作為觸發器的控制電壓。在這個系統中，被控對象是電動機，觸發器和整流裝置起了執行控制動作的作用，故稱為執行元件。現在具體分析一下刨床速度自動控制的過程。當刨床正常工作時，對于某給定電壓u0，電動機必有確定的速度給定值n相對應，同時亦有相應的測速發電機電壓ut，以及相應的偏差電壓Δu和觸發器控制電壓uk。如果刨床負載變化，例如增加負載，將使速度降低而偏離給定值，同時，測速發電機電壓ut將相應減小，偏差電壓Δu將因此增大，觸發器控制電壓uk也隨之增大，從而使晶閘管整流電壓ua升高，逐步使速度回升到給定值附近。這個過程可用圖1-3的一組曲線表明。由圖可見，負載M1在t1時突增為M2，致使電動機速度由給定值n1急劇下降。但隨著Δu和ua的增大，速度很快回升，t2時速度便回升到n2，它與給定值n1已相差無幾了。反之，如果刨床速度因減小負載致使速度上升，則各電壓量反向變化，速度回落過程完全一樣。另外，如果調整給定電壓u0，便可改變刨床工作速度。龍門刨床速度自動控制過程因此，采用圖1-2的自動控制系統，既可以在不同負載下自動維持刨床速度不變，也可以根據需要自動地改變刨床速度，其工作原理都是相同的。它們都是由測量元件(測速發電機)對被控量(速度)進行檢測，并將它反饋至比較電路與給定值相減而得到偏差電壓(速度負反饋)，經放大器放大、變換后，執行元件(觸發器和晶閘管整流裝置)便依據偏差電壓的性質對被控量(速度)進行相應調節，從而使偏差消失或減小到允許范圍。可見，這是一個由負反饋產生偏差，并利用偏差進行控制直到*后消除偏差的過程，這就是負反饋控制原理，簡稱反饋控制原理。 圖1-2 龍門刨床速度控制系統原理圖 應當指出的是，圖1-2的刨床速度控制系統是一個有靜差系統。由圖1-3的速度控制過程曲線可以看出，速度*終達到的穩態值n2與原給定速度n1之間始終有一個差值存在，這個差值是用來產生一個附加的電動機電樞電壓，以補償因增加負載而引起的速度下降。因此，差值的存在是保證系統正常工作所必需的，一般稱為穩態誤差。如果從結構上加以改進，這個穩態誤差是可以消除的。 圖1-4 是與圖1-2對應的刨床速度控制系統方塊圖。在方塊圖中，被控對象和控制裝置的各元部件(硬件)分別用一些方塊表示。系統中感興趣的物理量(信號)，如電流、電壓、溫度、位置、速度、壓力等，標志在信號線上，其流向用箭頭表示。用進入方塊的箭頭表示各元部件的輸入量，用離開方塊的箭頭表示其輸出量，被控對象的輸出量便是系統的輸出量，即被控量，一般置于方塊圖的*右端；系統的輸入量一般置于系統方塊圖的左端。 圖1-3 龍門刨床速度自動控制過程 圖1-4 龍門刨床速度控制系統方塊圖 4.反饋控制系統的基本組成 反饋控制系統是由各種結構不同的元部件組成的。從完成“自動控制”這一職能來看，一個系統必然包含被控對象和控制裝置兩大部分，而控制裝置是由具有一定職能的各種基本元件組成的。在不同系統中，結構完全不同的元部件卻可以具有相同的職能，因此，將組成系統的元部件按職能分類主要有以下幾種： 測量元件其職能是檢測被控制的物理量，如果這個物理量是非電量，一般要再轉換為電量。例如，測速發電機用于檢測電動機軸的轉速并轉換為電壓；電位器、旋轉變壓器或自整角機用于檢測角度并轉換為電壓；熱電偶用于檢測溫度并轉換為電壓等。 給定元件其職能是給出與期望的被控量相對應的系統輸入量。例如圖1-2中給出電壓u0的電位器。 比較元件其職能是把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的輸入量進行比較，求出它們之間的偏差。常用的比較元件有差動放大器、機械差動裝置、電橋電路等。圖1-2中，由于給定電壓u0和反饋電壓ut都是直流電壓，故只需將它們反向串聯便可得到偏差電壓。 放大元件其職能是將比較元件給出的偏差信號進行放大，用來推動執行元件去控制被控對象。電壓偏差信號，可用集成電路、晶閘管等組成的電壓放大級和功率放大級加以放大。 執行元件其職能是直接推動被控對象，使其被控量發生變化。用來作為執行元件的有閥、電動機、液壓馬達等。 校正元件也叫補償元件，它是結構或參數便于調整的元部件，用串聯或反饋的方式連接在系統中，以改善系統的性能。*簡單的校正元件是由電阻、電容組成的無源或有源網絡，復雜的則用電子計算機。 一個典型的反饋控制系統基本組成可用圖1-5方塊圖表示。圖中，用“○”代表比較元件，它將測量元件檢測到的被控量與輸入量進行比較，“.”號表示兩者符號相反，即負反饋；“+”號表示兩者符號相同，即正反饋。信號從輸入端沿箭頭方向到達輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統輸出量經測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構成的內回路。只包含一個主反饋通路的系統稱單回路系統；有兩個或兩個以上反饋通路的系統稱多回路系統。 圖1-5 反饋控制系統基本組成 一般，加到反饋控制系統上的外作用有兩種類型：一種是有用輸入；另一種是擾動。有用輸入決定系統被控量的變化規律；而擾動是系統不希望有的外作用，它破壞有用輸入對系統的控制。在實際系統中，擾動總是不可避免的，而且它可以作用于系統中的任何元部件上，也可能一個系統同時受到幾種擾動作用。電源電壓的波動，環境溫度、壓力以及負載的變化，飛行中氣流的沖擊，航海中的波浪等，都是現實中存在的擾動。在圖1-2的速度控制系統中，切削工件外形及切削量的變化就是一種擾動，它直接影響電動機的負載轉矩，進而引起刨床速度的變化。 5.自動控制系統基本控制方式 反饋控制是自動控制系統*基本的控制方式，也是應用*廣泛的一種控制方式。除此之外，還有開環控制方式和復合控制方式，它們都有其各自的特點和不同的適用場合。近幾十年來，以現代數學為基礎，引入電子計算機的新的控制方式也有了很大發展，例如*優控制、自適應控制、模糊控制等。 (1)反饋控制方式如前所述，反饋
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