自動控制原理[2016年清華大學出版社出版書籍]

自動控制原理[2016年清華大學出版社出版書籍]

《自動控制原理》是2016年清華大學出版社出版書籍,作者是葛一楠、唐毅謙、喻曉紅、樊雲、謝虹。

內容簡介

該書系統、全面地介紹了自動控制的基礎理論與套用。全書共9章,主要內容有:自動控制系統的基本概念和結構、微分方程、傳遞函式、結構圖模型、連續系統時域分析、復域分析與校正、頻域分析方法與校正、離散控制基礎、狀態空間分析和設計方法、非線性控制理論等。本書以經典控制、現代控制理論為主,兼顧理論聯繫實際,並給出一些工程套用內容。各章均給出了相應的習題,並給出了部分實驗實例。

為配合國家卓越工程師的培養目標,突出控制理論的工程實踐指導性,本書在進行理論內容講解的基礎上,引入實際的工具機導軌伺服控制系統實驗平台,分章逐步地對該系統進行分析與設計,大大強化了本書的理論與工程實踐的結合性。本書可作為高等院校“卓越工程師培養計畫”的本科教材,也可作為高等院校和職業技術學院的自動化、電氣工程自動化、機械工程及其自動化、儀器儀表、電子、通信、機電一體化等本、專科專業的相關課程的教材,還可作為廣大從事自動控制系統設計的技術人員的參考手冊。

前言

自動控制原理是自動化學科的重要基礎理論,是學習控制理論的入門基石。它是主要研究自動控制系統的基本概念、原理、方法的一門課程。自動控制原理已成為我國高等學校自動化專業、電氣工程自動化專業、電子信息類專業、機械類專業的主幹課程之一。自動控制原理包括經典控制理論和現代控制理論兩大部分,本書全面系統地介紹了經典理論的時域、復域、頻域分析方法,現代理論的狀態空間分析法,以及離散控制理論基礎和非線性控制理論。

全書共分9章。第1章主要介紹自動控制原理的發展概況,控制系統的基本概念、組成、典型結構及對控制系統的基本要求;第2章主要介紹連續系統數學模型的建立,包括微分方程、傳遞函式、結構圖、信號流圖等;第3章主要介紹系統的時域分析;第4章介紹系統的根軌跡分析與設計;第5章介紹系統的頻域分析與校正設計;第6章介紹數字離散控制基礎;第7章和第8章介紹狀態空間分析和設計方法;第9章對非線性系統分析進行了相應的介紹。

為配合國家自動化、電氣工程及其自動化專業、機械控制及其自動化專業的“卓越工程師教育”,實現讓學生“具有紮實的工程基礎知識和本專業的基本理論知識,了解本專業的發展現狀和趨勢,具有信息獲取和職業發展學習能力,具有紮實的理論基礎,同時具有綜合套用學科理論知識分析和解決工程實際問題的能力,能夠進行工程設計,並具有運行和維護能力;具有較強的創新意識和進行產品開發和設計、技術改造與創新的初步能力”的培養目標,本書突出強調自動控制理論課程的基礎性及理論的工程實踐指導性。

書中在經典控制理論及離散控制理論部分貫穿了一個工具機導軌伺服控制系統實例。依據自主研製的工具機導軌伺服控制實驗台,從分析系統原理到建立模型,並分別使用時域、頻域、複數域以及離散域分析方法對本系統進行了細緻的分析設計,從而在一個實際的實例中全方位展示了自動控制理論的工程套用,使讀者將系統的理論與實際相結合,對自動控制原理課程有更好的理解。

在本書編寫過程中,作者結合多年的教學與科研工作經驗,立足基礎性、系統性、實用性、工程性,敘述簡潔、層次分明,做到理論與套用並重,在立足經典控制的基礎上對現代控制理論進行了講解。為便於學生更好地理解書中的基本知識和概念,每章末都附有習題。全書由葛一楠統籌安排,並編寫全書各章節工具機導軌相關知識的全部內容;喻曉紅統稿並編寫第1、2、6~9章及附錄;樊雲編寫第3~5章;謝虹完成與本書相對應的工具機導軌伺服控制系統實驗平台的製作以及參數的確定與部分相關內容的編寫;唐毅謙教授對全書內容進行審定並編寫部分內容。本書在四川大學黃家英教授的指導下編寫完成,黃教授從本書的結構安排到具體內容編寫上都提出了很多寶貴的意見,並對全部書稿進行了總審,在此表示深深的敬意及謝意!

本書參考、吸取了大量國內出版的教材、論文的長處,在此一併表示感謝。由於編者水平有限,書中難免存在缺漏或不妥之處,敬請讀者批評指正。

編者

2015年10月

目錄

第1章緒論

1.1歷史的回顧

1.2自動控制系統的基本概念

1.3自動控制系統的基本類型

1.3.1開環、閉環與複合控制系統

1.3.2連續系統與離散系統

1.3.3線性系統與非線性系統

1.3.4定常控制系統與時變控制系統

1.3.5恆值控制系統、隨動控制系統和程式控制系統

1.4控制系統示例

1.4.1工具機導軌的伺服控制系統

1.4.2工具機導軌的伺服控制系統的基本原理

1.5對控制系統性能的基本要求

1.6本書內容的安排

本章小結

習題

第2章控制系統的數學模型

2.1系統的數學模型的概念與建立方法

2.2控制系統的時域數學模型

2.2.1系統的微分方程描述

2.2.2工具機導軌的伺服控制系統的運動描述

2.2.3非線性微分方程的線性化

2.3傳遞函式

2.3.1傳遞函式的定義

2.3.2傳遞函式的表達形式

2.3.3典型環節的傳遞函式

2.3.4工具機導軌的伺服控制系統的傳遞函式

2.4結構圖

2.4.1結構圖的建立

2.4.2工具機導軌的伺服控制系統結構圖

2.4.3結構圖的等效變換

2.5信號流圖

2.5.1信號流圖的定義

2.5.2信號流圖的常用術語

2.5.3系統的信號流圖及繪製方法

2.5.4信號流圖的變換法則與簡化

2.5.5梅森公式

2.6反饋控制系統的傳遞函式

2.7MATLAB軟體介紹及Simulink系統建模方法

2.7.1MATLAB軟體介紹

2.7.2控制系統數學模型的種類

2.8用MATLAB求工具機導軌的伺服控制系統的傳遞函式

本章小結

習題

第3章時域法

3.1引言

3.2控制系統的時域回響

3.3時域性能指標

3.3.1典型輸入信號

3.3.2動態性能指標

3.3.3穩態性能指標

3.4時域分析法

3.4.1穩定性分析

3.4.2動態特性分析

3.4.3穩態特性分析

3.5線性系統的基本控制規律

3.5.1控制器的基本控制律——PID控制

3.5.2控制器控制律的實現

3.6時域法的套用

3.6.1工具機導軌伺服控制系統的理論分析

3.6.2工具機導軌伺服控制系統的Simulink分析

3.6.3PID調節器的設計實例

本章小結

習題

第4章根軌跡法

4.1引言

4.2根軌跡法的基本概念

4.2.1根軌跡方程

4.2.2根軌跡方程的幾何意義

4.3繪製根軌跡的基本規則

4.4廣義根軌跡

4.4.1參數根軌跡

4.4.2零度根軌跡

4.5根軌跡的分析法

4.5.1由根軌跡確定系統的閉環極點

4.5.2用主導極點來估算系統的性能

4.5.3利用MATLAB軟體繪製根軌跡法

4.6根軌跡的綜合法

4.6.1根軌跡形狀的改變

4.6.2串聯校正

4.7根軌跡法的套用

4.7.1利用MATLAB繪製實際系統的根軌跡

4.7.2根軌跡綜合法的套用

本章小結

習題

第5章頻域法

5.1引言

5.2頻率特性

5.2.1頻率特性的基本概念

5.2.2頻率特性的求取

5.2.3頻率特性的圖示方法

5.3系統的開環頻率特性

5.3.1典型環節的頻率特性

5.3.2開環頻率特性的繪製

5.3.3由伯德圖確定傳遞函式

5.3.4頻率特性的實驗確定法

5.4系統的閉環頻率特性

5.4.1單位反饋系統的閉環頻率特性

5.4.2等M圓圖與等N圓圖

5.4.3尼科爾斯圖

5.4.4閉環頻域指標

5.5頻率回響分析法

5.5.1穩定性分析

5.5.2穩態特性和動態特性分析

5.5.3套用MATLAB進行頻域分析

5.6頻率回響綜合法

5.6.1串聯校正

5.6.2反饋校正

5.7頻域法的套用

5.7.1頻域法的實例分析

5.7.2串聯校正分析法的套用

本章小結

習題

第6章離散控制系統

6.1採樣過程

6.1.1信號的採樣

6.1.2信號的恢復與保持

6.2Z變換

6.2.1Z變換與Z反變換

6.2.2線性定常離散系統的差分方程及其求解

6.2.3離散控制系統的脈衝傳遞函式

6.2.4開環和閉環脈衝傳遞函式

6.2.5套用MATLAB建立離散系統的數學模型

6.3離散控制系統的特性分析

6.3.1S平面到Z平面的映射

6.3.2離散控制系統穩定的充要條件

6.3.3線性離散系統的穩定判據

6.3.4離散控制系統的過渡過程分析

6.3.5離散控制系統的穩態誤差分析

6.3.6利用MATLAB進行離散系統分析

6.4離散控制系統的根軌跡設計法

6.5離散控制系統的頻域設計法

6.6等效模擬控制器綜合法與數字PID控制器

6.6.1等效模擬控制器綜合法的基本思路

6.6.2控制器傳遞函式離散化的方法

6.6.3數字PID算法

6.6.4工具機導軌伺服系統的等效模擬控制器綜合

本章小結

習題

第7章線性系統的狀態空間分析方法

7.1系統的狀態空間描述

7.1.1狀態與狀態空間

7.1.2狀態空間表達式

7.2狀態空間表達式與傳遞函式之間的關係

7.3狀態方程的線性變換

7.3.1線性變換

7.3.2系統矩陣的對角化

7.4線性定常系統狀態方程的解

7.4.1線性定常連續系統狀態方程的求解

7.4.2非齊次狀態方程的解

本章小結

習題

第8章線性系統的狀態空間綜合法

8.1系統的能控性與能觀測性

8.1.1線性定常連續系統的能控性

8.1.2線性定常連續系統的能觀測性

8.1.3對偶性原理

8.1.4能控規範型與能觀規範型

8.2線性系統的結構分解

8.2.1系統按能控性分解

8.2.2系統按能觀測性分解

8.2.3線性定常系統結構的規範分解

8.2.4傳遞函式中的零極對消

8.3穩定性與李雅普諾夫穩定判據

8.3.1與穩定性相關的基本概念

8.3.2李雅普諾夫穩定性的定義

8.3.3李雅普諾夫第一法

8.3.4李雅普諾夫第二法

8.4線性定常系統的極點配置

8.4.1反饋控制系統的基本結構及設計

8.4.2極點配置

8.5狀態觀測器及其實現

8.5.1全維觀測器的設計思想

8.5.2反饋矩陣的確定

8.6帶觀測器的狀態反饋系統

8.6.1帶觀測器的狀態反饋系統結構

8.6.2分離性原理

本章小結

習題

第9章非線性系統的分析

9.1控制系統的典型非線性

9.1.1幾種常見的控制系統的典型非線性特性

9.1.2典型非線性特性的特點及綜合方法

9.2相平面法

9.2.1相平面的基本概念

9.2.2相軌跡的繪製

9.2.3用相平面圖求系統運動的時間回響

9.2.4非線性控制系統的相平面分析

9.2.5基於MATLAB的相軌跡圖繪製

9.3描述函式法

9.3.1描述函式法的基本概念及基本思想

9.3.2描述函式

9.3.3典型非線性特性的描述函式

9.3.4組合非線性特性的描述函式

9.3.5用描述函式法分析非線性系統

本章小結

習題

附錄A拉普拉斯變換與反變換

附錄B工具機導軌的伺服控制系統實驗平台

參考文獻

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