自动控制原理 - 中国高校教材图书网
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书名： |
自动控制原理
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| ISBN： | 978-7-5628-3470-0 |
条码： | |
| 作者： |
张晴
相关图书
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装订： | 平装 |
| 印次： | 1-1 |
开本： | 16开 |
| 定价： |
￥35.00
折扣价：￥31.50
折扣：0.90
节省了3.5元
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字数： |
303千字
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| 出版社： |
华东理工大学出版社 |
页数： |
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| 发行编号： | |
每包册数： |
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| 出版日期： |
2013-02-01 |
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| 内容简介： |
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本书稿介绍经典控制理论的基础知识，包括控制系统的模型建立、动/静态性能的理论分析与计算、多种常用的分析方法以及控制系统的设计方法等内容。本书还简要介绍了常用的数学工具：拉普拉斯变换，为学习原理知识奠定基础。在内容编排上以课时为主要尺度，依据学习内容的进度安排，以目录的二级标题为一个课时，在各课时中安排适量地理论知识，同时辅以足够的例题和练习，帮助学生合理地安排学习时间和内容。
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| 作者简介： |
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| 章节目录： |
第1章绪论
单元导学1：认识控制系统
1.1自动控制系统的基本概念
1.1.1控制系统发展的三个理论阶段
1.1.2控制系统的基本构成
1.1.3控制系统的分类
1.2自动控制系统的分析和设计步骤
1.2.1自动控制系统的基本要求
1.2.2自动控制系统的分析和设计步骤
习题1
第2章拉普拉斯变换
单元导学2：分析和设计控制系统时需要用到的数学工具
2.1拉普拉斯变换的基本概念
2.1.1拉氏变换的定义
2.1.2基本环节的拉氏变换
2.2拉普拉斯变换的常用性质和定理
2.2.1线性性质
2.2.2微分性质
2.2.3积分性质
2.2.4延迟性质
2.2.5复位移性质
2.2.6初值定理
2.2.7终值定理
2.3拉普拉斯反变换
2.3.1象函数的根互不相同
2.3.2象函数有重根
单元导学3：拉氏变换的应用
2.4用拉普拉斯变换求解微分方程
习题2
第3章控制系统的数学模型
单元导学4：控制系统的数学模型之传递函数
3.1系统的微分方程
3.2传递函数
3.2.1传递函数的定义
3.2.2传递函数的性质
3.2.3基本RLC网络的复阻抗
单元导学5：控制系统的数学模型之结构图
3.3系统结构图
3.3.1结构图的四个基本要素
3.3.2闭环控制系统的结构图
3.3.3典型环节构成的系统
3.3.4结构图的化简
目录单元导学6：控制系统的数学模型之信号流图
3.4信号流图与梅森公式
3.4.1信号流图的基本元素
3.4.2梅森(MASON)公式
习题3
第4章控制系统的时域分析
单元导学7：控制系统的首要特性——稳定性
4.1线性系统的稳定性
4.1.1稳定性的定义
4.1.2线性系统稳定的充要条件
单元导学8：稳定性判据——劳斯判据
4.2劳斯判据
4.2.1稳定判据
4.2.2两种特例的处理
4.3劳斯判据的应用
4.3.1确定参数的取值范围
4.3.2控制系统的相对稳定性
单元导学9：一阶系统的动态分析
4.4一阶系统的时域分析
4.4.1典型的输入测试信号
4.4.2一阶系统的典型结构
4.4.3一阶系统的单位阶跃响应
4.4.4一阶系统的设计
单元导学10：二阶系统的动态分析
4.5二阶系统的时域分析
4.5.1二阶系统的典型结构
4.5.2阻尼比与单位阶跃响应
4.5.3动态性能指标
4.5.4主要参数与系统动态性能的关系
4.6二阶系统的设计
4.6.1已知开环传递函数求主要参数
4.6.2已知闭环传递函数求动态性能指标
4.6.3已知动态性能指标求传递函数
4.6.4已知单位阶跃响应求传递函数
单元导学11：控制系统的稳态分析
4.7控制系统的稳态误差
4.7.1基本概念
4.7.2稳态误差的计算
4.7.3扰动误差的概念
习题4
第5章根轨迹法
单元导学12：控制系统特性分析的图解法之根轨迹
5.1基本概念
5.1.1根轨迹的定义
5.1.2根轨迹的开环传递函数
5.1.3根轨迹的增益
单元导学13：根轨迹满足的两个基本条件
5.2根轨迹的基本条件
单元导学14：根轨迹的绘制
5.3绘制根轨迹的基本法则一
5.3.1根轨迹的连续性、对称性
5.3.2根轨迹的起点与终点
5.3.3根轨迹的数量
5.3.4实轴上的根轨迹段落
5.4绘制根轨迹的基本法则二
5.4.1根轨迹的渐近线
5.4.2根轨迹在实轴上的分离点和会合点
5.4.3根轨迹与虚轴的交点
5.5绘制根轨迹的基本法则三
5.5.1开环共轭复极点的出射角
5.5.2开环共轭复零点的入射角
单元导学15：根轨迹的一些特性
5.6根轨迹中闭环极点的计算
5.6.1闭环极点的和与积
5.6.2添加开环极零点对根轨迹的影响
单元导学16：根轨迹的应用
5.7根轨迹的应用——比例控制
习题5
第6章控制系统的频率分析
单元导学17：频率特性的定义和概念
6.1频率特性的基本概念
6.1.1频率特性的定义
6.1.2频率特性的性质
6.1.3常用的频率特性表示方法
单元导学18：乃奎斯特稳定判据
6.2幅角原理与乃奎斯特稳定判据
6.2.1柯西(Cauchy)幅角原理
6.2.2乃奎斯特稳定判据
单元导学19：频率特性图解法之乃奎斯特图
6.3乃奎斯特图的绘制
6.3.1开环对象在乃奎斯特围线上无奇异点
6.3.2开环对象含有积分环节时的乃奎斯特图
单元导学20：幅值裕量和相角裕量
6.4乃奎斯特稳定裕量
6.4.1幅值裕量的基本概念
6.4.2相位裕量的基本概念
单元导学21：频率特性图解法之波特图
6.5对数频率特性法
6.5.1对数频率特性图的坐标
6.5.2典型环节的波特图
6.5.3绘制开环系统波特图的步骤
单元导学22：稳定裕量在波特图中的表示
6.6波特图中的频域指标
6.6.1波特图中的稳态裕量表示
6.6.2闭环频域特性及其频域性能指标
6.6.3频域性能指标与时域性能指标的关系
6.6.4对数幅频特性图中反映的动态性能
习题6
第7章反馈控制系统的设计
单元导学23：系统校正
7.1系统设计方法介绍
7.1.1控制系统的性能指标
7.1.2校正方式
7.1.3PID校正
单元导学24：超前校正与滞后校正
7.2超前校正与滞后校正
7.2.1超前校正
7.2.2滞后校正
7.2.3滞后-超前校正
单元导学25：利用根轨迹设计系统校正环节
7.3利用根轨迹的系统校正
7.3.1时域性能和期望极点
7.3.2串联超前校正
7.3.3串联滞后校正
单元导学26：利用波特图设计系统校正环节
7.4利用频率特性的系统校正
7.4.1期望的开环频率特性模型
7.4.2串联超前校正
7.4.3串联滞后校正
习题7
参考文献
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| 精彩片段： |
绪论
面对工厂中大型、复杂的设备或生产线，各个部件、各个环节都在扮演什么角色？它们有没有相类似的功能？它们如何保证产品质量？在这一单元，我们将从系统的角度给大家介绍控制系统的基本结构和术语、系统的分类，并介绍控制系统最基本的三个性能要求和设计步骤。11自动控制系统的基本概念所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或控制装置使整个生产过程或工作机械自动地按预定的规律运行，或使它的某些物理量按预定的要求发生变化。在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。例如在工业方面，各种机器设备的速度控制、化学反应炉的温度或压力控制等；在军事方面，雷达和计算机组成导弹发射和制导系统、无人机按照预定轨道自动升降和飞行等；在日常生活方面，电冰箱和洗衣机的运行等都运用了自动控制技术。可见，自动控制理论的发展和应用，不仅保证了生产安全，提高了劳动生产效率和产品质量，而且在人类利用自然、探索新能源、发展空间技术和改善物质生活条件等各个方面都起了极为重要的作用。111控制系统发展的三个理论阶段（1） 经典控制理论阶段最早应用于工业生产过程的反馈控制器是瓦特在1796年发明的用于控制蒸汽机转速的飞球调节器。第二次世界大战期间由于战争的需要，在飞机驾驶系统、火炮定位系统、雷达天线控制系统等军事武器装备中大量使用了反馈控制系统，这使得自动控制技术得到进一步发展，并由此而形成了以频域方法为基础的“经典控制理论”。经典控制理论是建立在S平面上的控制理论，通过拉普拉斯变换得到传递函数，并在此基础上，在频域内对单输入、单输出的自动控制系统进行分析和设计，而无须直接求解微分方程。其优点是物理概念清楚，通过绘图方式进行分析和设计的方法形象直观。因此，经典控制理论一直深受广大过程控制技术人员的喜爱。经典控制理论的基本内容包括：时域分析法、根轨迹法、频率特性法、相平面法、描述函数法等。在本书中，将一一向大家介绍这些知识。（2） 现代控制理论阶段20世纪60年代以后，随着人造卫星和空间时代的到来，控制理论发展又有了新的推动力。由于导弹、航空、航天等制导方面对高精度多变量控制系统的需求，以及计算机技术的进步，建立在时域分析法上的“现代控制理论”逐步形成并不断发展，在工业领域也得到很多应用。第章绪论现代控制理论是建立在状态空间上的控制理论，以状态方程为基础，对多输入、多输出、时变、非线性等控制系统进行建模和分析并加以设计。现代控制理论的基本内容包括：线性系统基本理论、最优控制、系统辨识、自适应控制、最佳滤波、鲁棒控制理论等，这些都是建立在时域的状态空间模型上。（3） 智能控制理论阶段对于某些复杂的、具有模糊性、不确定性、不完全性、偶然性的自动控制系统而言，要建立有效的数学模型十分困难，此外也难以采用常规的经典控制理论或现代控制理论进行定量计算和分析、设计。因此，人们考虑采用人工智能的方法进行系统分析和控制。智能控制则是由人工智能、控制论和运筹学等学科交叉形成的一门控制理论，通过定量与定性相结合的方法进行系统的分析和设计。按照这一思路已经研究出一些智能控制的理论和技术，主要包括专家控制系统、模糊控制系统、神经网络和学习控制系统。112控制系统的基本构成（1） 开环控制系统开环控制系统是最简单的一种控制系统，其基本结构如图11所示。图11开环控制系统的组成
控制器和被控对象之间只有正向控制作用的系统称为开环控制系统。它主要包括两个模块和三个信号量。两个模块分别是被控对象和控制器。被控对象也称为过程，是自动控制系统根据需要进行控制的机器、设备或生产过程。例如工业生产设备中的电动机、发动机、加热装置等。控制器是将输入信号按一定控制规律转换成控制信号的装置。三个信号量则分别为输入信号、控制量和被控量。输入信号也称为参考信号，是使被控量按要求变化的指令信号。被控量则是整个系统最终要控制其变化规律的信号，是被控对象内要求实现自动控制的物理量，如温度、速度、位移、压力等。该信号应与输入信号保持一定的函数关系。开环控制系统的优点是结构简单，整个控制系统的输出端和输入端之间没有反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。但是如果由于某种干扰作用使被控量偏离了原始状态，产生偏差，则没有自动纠正偏差的能力。如果要进行补偿，则必须再借助人工改变输入量，调整控制器中的控制规律。因此，开环控制系统的缺点是控制精度较低。在系统元件特性和参数值比较稳定而且外界干扰比较小的情况下，才能保证一定的精度。（2） 闭环控制系统若控制系统的输出端和输入端之间有反馈回路，即被控量对系统的控制作用有直接影响，则该系统称为闭环控制系统。其基本结构如图12所示。图12闭环控制系统的基本结构
和开环控制系统相比，闭环控制系统多了一个测量元件模块和一个信号比较模块。测量元件的作用是感受或测量被控制量的实际值，并把它转换为可以进行比较的信号。测量元件的输出信号称为主反馈信号。比较环节则是将输入信号与主反馈信号进行比较，其输出为偏差信号，即系统输出量的实际值与参考输入值之差。从信号传递的过程来看，以偏差信号作为控制器的输入，以此为依据产生校正系统偏差的控制作用。因为控制的目的是逐渐减小实际值与参考值之间的偏差，加上比较环节中用输入信号减去主反馈信号，因此闭环控制系统又称为负反馈控制。虽然只增加了一个负反馈通道，但从控制思想上看，负反馈控制系统与开环控制系统有很大的区别。在这个偏差信号中包含了输入信号对被控量的控制作用，也包含了被控量对输入信号的制约作用。这样，在一个闭环负反馈控制系统中包括输入量和输出量两者之间的既相互制约又相互协调的对立统一关系。由于有了这种关系，使控制系统具有自我调节的活力，不但可以克服开环系统对扰动没有抑制的缺点，而且系统的参数经合理配置后，其性能可能达到一个新的水平，具有更高的精度和更快的速度。闭环控制系统的特点为：①由负反馈构成闭环，利用偏差信号进行控制；②对于外界扰动和系统内参数的变化等引起的偏差能够自动纠正；③系统元件参数配合不当，容易产生振荡，使系统不能正常工作，因而存在稳定性问题。尽管③是闭环控制系统的缺点，但闭环控制仍然是一种重要的并被广泛应用的控制方式。自动控制理论主要研究这种控制系统。113控制系统的分类自动控制系统的形式是多种多样的，根据不同的分类方法可以分成不同的类型。实际上系统还可能是几种方式的组合。（1） 按信号传递路径，可以分成开环控制系统和闭环控制系统两大类。（2） 按输入信号的特征，可以分成恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统三大类。其中恒值控制系统的特点是保持被控量恒定不变，即要求被控量在控制过程进入稳态时等于输入量，也要求输入量是恒定不变的；随动控制系统的特点是输入量随时间的变化规律事先不能确定，控制的任务就是在各种情况下快速、准确地使被控量跟踪输入量的变化；程序控制系统的特点是输入量按事先预定的规律变化，是一个已知的时间函数。控制的任务是要求被控量按确定的输入量的时间函数来改变。（3） 按控制器的形式，可以分成连续模拟式控制和离散数字式控制两大类。其中连续模拟式控制系统中各部分的信号均为连续变化的模拟信号；离散数字式控制系统中的信号成分一般比较复杂，包含各种信号形式：连续模拟信号、离散信号、数字信号等，并进行信号间的转换，但起直接控制作用的一定是数字信号。在自动控制系统中还有很多种分类方法，例如按系统是否满足叠加定理可分为线性系统与非线性系统；按系统参数是否随时间而变可分为定常系统与时变系统；按参考信号和被控量的数量可分为单输入单输出系统与多输入多输出系统等等。实际上，各种类型并不是独立的，而是相互综合的。比如我们在经典控制理论中，主要研究的是单输入、单输出、线性、定常系统。12自动控制系统的分析和设计步骤121自动控制系统的基本要求不同的控制系统，由于其工作场合及目标任务等方面的差异，其性能指标也各不相同。但对所有的控制系统来说，要达到的控制目标是一致的，就是要求系统的被控量能迅速、准确地跟踪参考量的变化，两者保持一定的函数关系，并尽可能使这种关系不受任何干扰的影响。简而言之，对系统的性能要求可以用三句话来表述：（1） 动态过程要平稳，即稳定性一个控制系统要能正常工作，稳定性是必须具备的首要条件。一般情况下，系统的被控量在外作用（输入量或干扰）没有变化时处在某一稳定平稳的状态，当系统的外作用发生变化时，其被控量会偏离原来的稳定状态。若系统被控量在偏离稳定状态后，能在一定时间内重新回到平稳状态，那么系统是稳定的。反之，若系统不能重新回到平稳状态，而是呈持续振荡或分散状态，则控制系统是不稳定的。不稳定系统是无法正常工作的，甚至会毁坏设备、造成事故。（2） 响应动作要快速，即快速性快速性是指在控制系统稳定的前提下，当系统的被控量与输入量之间发生较大偏差时，消除这种偏差的快慢程度。当输入量发生变化时，系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态需要一定的时间，称为过渡过程。因此，快速性主要是指过渡过程的快速性，它表现为输入量改变后，输出量随之变化的快慢程度。（3） 最终跟踪要准确，即准确性准确性是指系统响应的过渡过程（也称为动态过程、瞬态过程）结束后，被控量与输入量之间的差值，我们用稳态误差来表示。稳态误差反映了系统稳态精度的高低，其大小也是衡量系统品质的一个重要指标。稳态精度越高，稳态误差就越小，系统的稳态输出就越接近输入量。122自动控制系统的分析和设计步骤一个完整的自动控制系统设计过程大体包括四个步骤。第一步：确定设计目标。这一步主要是设定系统的被控量和性能指标。控制系统的性能指标包括动态性能和稳态性能。这和系统的基本要求是相结合的。动态性能是对控制系统输出响应的快速性和稳定性的描述。稳态性能是指控制系统输出响应的稳态误差的指标，反映控制系统的控制精度。除此之外，还有抗干扰能力、鲁棒性等指标。性能指标是根据用户和现场实际的需求提出来的，同时也应该考虑实现条件和成本等因素。第二步：确定控制系统的结构，如图13所示。这一步需要选择驱动装置和配置适当的测量元件，即传感器。其中驱动装置是根据控制器产生的控制量直接对被控对象进行操作的装置或设备。大多数情况下被控对象都是大功率级的，或者被控对象的输入信号是其他形式的非电物理量，控制信号不能直接驱动被控对象，此时就需要用到驱动装置。除此之外，还有一点十分重要，那就是设计者不能改变被控对象的结构。图13闭环控制系统的结构设计
第三步：理论建模与设计。建立控制系统的数学模型，并以此为工具，分析和设计系统的性能。然后设计控制装置，设计控制系统的关键部件，这是改善控制系统性能的主要手段。需要反复调整控制装置的结构和参数，以获得期望的性能指标。最后，对所设计的控制系统进行计算机仿真，校核系统的输出响应。第四步：实验室或现场调试。前面的分析和设计过程都是理论上的，并经过了一系列的简化处理，忽略了某些因素的影响。因此，一个工程设计方案必须要经过实验工作，再进行必要的调整，才能应用于工程实际。本书在实验方面不作展开。本单元的基本要求及考核重点： 理解自动控制系统的基本概念和分类； 理解开环控制、闭环控制两种控制方式； 掌握闭环控制系统的基本组成； 了解自动控制系统的三个基本要求。
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