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自動(dòng)控制基礎(chǔ)
本書(shū)是為應(yīng)用型本科學(xué)校自動(dòng)控制類(lèi)課程編寫(xiě)的教材,重點(diǎn)講述了經(jīng)典控制理論、離散控制系統(tǒng)及其應(yīng)用,主要內(nèi)容包括自動(dòng)控制基礎(chǔ)概論、控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型、 控制系統(tǒng)的時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)分析、線(xiàn)性系統(tǒng)的根軌跡法、控制系統(tǒng)的頻率特性、 控制系統(tǒng)的綜合與校正、離散系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),還對(duì)非線(xiàn)性控制系統(tǒng)分析和線(xiàn)性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析作了介紹。
本書(shū)從應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā),將線(xiàn)性連續(xù)控制系統(tǒng)和線(xiàn)性離散控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)同時(shí)放在基礎(chǔ)理論教學(xué)的位置,突出基礎(chǔ)性、共性問(wèn)題,不苛求嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo),注重分析、解決實(shí)際問(wèn)題的思路,特別重視工程實(shí)用性。書(shū)中除附有電、液、氣、機(jī)、熱、能等方面的例題、習(xí)題外,還配有分析設(shè)計(jì)工具M(jìn)ATLAB的應(yīng)用,便于讀者理論聯(lián)系實(shí)際,鞏固所學(xué)知識(shí)。
本書(shū)適合高等學(xué)校自動(dòng)化、電氣自動(dòng)化、機(jī)械制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程、控制工程、機(jī)電一體化、新型能源開(kāi)發(fā)與利用、能源動(dòng)力工程、建筑與環(huán)境設(shè)備等專(zhuān)業(yè)學(xué)生使用,亦可供相近領(lǐng)域的工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。
應(yīng)用型本科,該書(shū)配有學(xué)習(xí)指導(dǎo)習(xí)題詳解
當(dāng)前,科技已進(jìn)入了一個(gè)新的信息化、人工智能時(shí)代,而自動(dòng)控制技術(shù)為其進(jìn)一步發(fā)展提供了無(wú)人自主工作的理論基礎(chǔ),因此社會(huì)迫切需要掌握自動(dòng)控制技術(shù)的跨專(zhuān)業(yè)應(yīng)用型人才。本書(shū)正是基于這樣的考慮,以自動(dòng)控制基礎(chǔ)理論為核心知識(shí)點(diǎn),以不同應(yīng)用領(lǐng)域的控制對(duì)象為問(wèn)題驅(qū)動(dòng),組織教材體系,深入淺出地講解了跨領(lǐng)域的自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論知識(shí),目的是使應(yīng)用型人才培養(yǎng)有針對(duì)性、系統(tǒng)性。
本書(shū)力求基礎(chǔ)理論簡(jiǎn)潔化,分析方法實(shí)用化,復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化,不過(guò)多糾纏定理證明之類(lèi)的理論推導(dǎo),在選取例題、習(xí)題時(shí)考慮了開(kāi)設(shè)自動(dòng)控制課程的專(zhuān)業(yè)的實(shí)際問(wèn)題,在每章后專(zhuān)門(mén)應(yīng)用控制系統(tǒng)分析工具M(jìn)ATLAB對(duì)一些實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行了分析、設(shè)計(jì)和仿真,對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行了驗(yàn)證,以方便讀者深刻理解所學(xué)的相關(guān)內(nèi)容。
本書(shū)共分為9章。第1章概括介紹了自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理和基本構(gòu)成;第2章主要介紹了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立和傳遞函數(shù)的描述;第3章較詳細(xì)地介紹了控制系統(tǒng)的時(shí)域分析;第4章介紹了控制系統(tǒng)的根軌跡分析法;第5章介紹了控制系統(tǒng)的頻域分析法;第6章介紹了控制系統(tǒng)的綜合與校正,同時(shí)對(duì)常規(guī)PID控制器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)介;第7章介紹了離散系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng);第8章介紹了非線(xiàn)性控制系統(tǒng)分析;第9章介紹了線(xiàn)性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析。其中,第3~7章是本書(shū)的重點(diǎn)內(nèi)容。
本書(shū)主編為薛弘曄,副主編為李歡、劉妮、屈文斌、余景景,參編為薛薇、薛文康。具體分工為:第1、2章由西安科技大學(xué)高新學(xué)院李歡編寫(xiě);第3、5章由西安科技大學(xué)高新學(xué)院劉妮編寫(xiě);第4、8章由陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院屈文斌編寫(xiě);第6章由陜西師范大學(xué)余景景編寫(xiě);第7章由中國(guó)西電集團(tuán)西安高壓開(kāi)關(guān)有限責(zé)任公司薛薇編寫(xiě);第9章由西安電子科技大學(xué)碩士研究生薛文康編寫(xiě)。全書(shū)由西安科技大學(xué)薛弘曄統(tǒng)稿。
在本書(shū)編寫(xiě)過(guò)程中,編者參閱了國(guó)內(nèi)出版的一些同類(lèi)教材、教輔資料,并得到了西安電子科技大學(xué)出版社的支持與幫助,在此表示衷心感謝。
由于編者水平有限,書(shū)中難免有不妥之處,懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
第1章 自動(dòng)控制基礎(chǔ)概論 1
1.1 引言 1
1.1.1 自動(dòng)控制技術(shù)及應(yīng)用 1
1.1.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展 1
1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理 2
1.2.1 自動(dòng)控制的基本概念 2
1.2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成 4
1.2.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作方式 4
1.3 自動(dòng)控制理論在工程中的應(yīng)用 7
1.3.1 自動(dòng)控制理論在機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用 7
1.3.2 自動(dòng)控制理論在熱工系統(tǒng)中的應(yīng)用 8
1.3.3 自動(dòng)控制理論在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用 9
1.3.4 自動(dòng)控制理論在其他系統(tǒng)中的應(yīng)用 9
1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作方式 10
1.4.1 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求 10
1.4.2 常用控制系統(tǒng)的典型輸入信號(hào) 11
1.4.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 13
1.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型 14
1.5.1 按信號(hào)傳遞特點(diǎn)或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi) 14
1.5.2 按給定信號(hào)特點(diǎn)分類(lèi) 14
1.5.3 按數(shù)學(xué)描述分類(lèi) 16
1.5.4 按時(shí)間信號(hào)的性質(zhì)分類(lèi) 16
1.5.5 按系統(tǒng)參數(shù)是否變化分類(lèi) 16
1.6 本章小結(jié) 17
習(xí)題 17
第2章 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 19
2.1 基本環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型 19
2.1.1 引言 19
2.1.2 模型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 19
2.2 控制系統(tǒng)的時(shí)域數(shù)學(xué)模型 30
2.2.1 微分方程的建立 31
2.2.2 非線(xiàn)性特性的線(xiàn)性化 33
2.2.3 微分方程的求解 34
2.3 控制系統(tǒng)的復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型 35
2.3.1 傳遞函數(shù) 35
2.3.2 典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 40
2.4 控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的常用模型 43
2.4.1 結(jié)構(gòu)圖的基本概念 43
2.4.2 結(jié)構(gòu)圖的建立 44
2.4.3 結(jié)構(gòu)圖的等效變換 46
2.5 閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 52
2.5.1 閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù) 52
2.5.2 閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 52
2.6 脈沖響應(yīng)函數(shù) 54
2.6.1 脈沖響應(yīng)函數(shù)的基本概念 54
2.6.2 脈沖響應(yīng)函數(shù)的應(yīng)用 55
2.7 線(xiàn)性控制系統(tǒng)模型的MATLAB實(shí)現(xiàn) 57
2.7.1 控制系統(tǒng)模型描述 57
2.7.2 模型轉(zhuǎn)換 58
2.8 本章小結(jié) 59
習(xí)題 60
第3章 控制系統(tǒng)的時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)分析 65
3.1 控制系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo) 65
3.1.1 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) 66
3.1.2 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 66
3.2 一階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng) 67
3.2.1 一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 67
3.2.2 一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 68
3.2.3 一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng) 69
3.2.4 一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng) 70
3.3 二階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng) 71
3.3.1 二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 71
3.3.2 二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 71
3.3.3 二階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng) 81
3.3.4 二階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng) 83
3.3.5 二階系統(tǒng)的性能分析與改善 85
3.4 高階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng) 90
3.4.1 高階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及降階 90
3.4.2 典型三階系統(tǒng)的階躍響應(yīng) 91
3.4.3 高階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng) 92
3.5 線(xiàn)性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 95
3.5.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念 96
3.5.2 系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件 96
3.5.3 代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù) 97
3.5.4 穩(wěn)定性判據(jù)的應(yīng)用 103
3.6 線(xiàn)性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析 111
3.6.1 誤差與穩(wěn)態(tài)誤差的定義 111
3.6.2 穩(wěn)態(tài)誤差及靜態(tài)誤差系數(shù) 113
3.6.3 動(dòng)態(tài)誤差系數(shù)的應(yīng)用 117
3.6.4 提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的措施 119
3.7 控制系統(tǒng)響應(yīng)的MATLAB分析 122
3.7.1 單位階躍響應(yīng) 122
3.7.2 單位脈沖響應(yīng) 124
3.7.3 斜坡函數(shù)作用下系統(tǒng)的響應(yīng) 126
3.7.4 任意函數(shù)作用下系統(tǒng)的響應(yīng) 126
3.7.5 判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性 127
3.7.6 Simulink建模與仿真 128
3.8 本章小結(jié) 128
習(xí)題 129
第4章 線(xiàn)性系統(tǒng)的根軌跡法 133
4.1 根軌跡法的基本概念 133
4.1.1 根軌跡的概念 133
4.1.2 根軌跡與系統(tǒng)性能 134
4.1.3 閉環(huán)零、極點(diǎn)與開(kāi)環(huán)零、極點(diǎn)之間的關(guān)系 135
4.1.4 根軌跡方程 136
4.2 根軌跡繪制的基本法則 137
4.3 廣義根軌跡的繪制 150
4.3.1 參數(shù)根軌跡 150
4.3.2 零度根軌跡 155
4.4 根軌跡圖繪制舉例 157
4.5 線(xiàn)性系統(tǒng)的根軌跡分析 162
4.5.1 主導(dǎo)極點(diǎn)與偶極子 162
4.5.2 主導(dǎo)極點(diǎn)法 163
4.5.3 系統(tǒng)閉環(huán)零、極點(diǎn)的分布與性能指標(biāo) 163
4.5.4 增加開(kāi)環(huán)零、極點(diǎn)對(duì)根軌跡的影響 164
4.6 線(xiàn)性系統(tǒng)根軌跡的MATLAB繪制分析 168
4.6.1 繪制根軌跡圖 168
4.6.2 根軌跡上特殊的點(diǎn) 169
4.6.3 K值確定下系統(tǒng)的穩(wěn)定性 171
4.7 本章小結(jié) 173
習(xí)題 173
第5章 控制系統(tǒng)的頻率特性 176
5.1 頻率特性的基本概念 176
5.1.1 頻率特性的定義 176
5.1.2 頻率特性與傳遞函數(shù) 178
5.1.3 正弦輸入信號(hào)下的穩(wěn)態(tài)誤差 180
5.1.4 頻率特性的幾何表示及繪制 180
5.2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性 183
5.2.1 典型環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型 184
5.2.2 奈氏圖(極坐標(biāo)) 185
5.2.3 伯德圖(對(duì)數(shù)坐標(biāo)) 193
5.2.4 最小相位系統(tǒng) 204
5.2.5 由單位脈沖響應(yīng)求系統(tǒng)的頻率特性 206
5.2.6 對(duì)數(shù)幅相頻率特性 206
5.3 頻率域穩(wěn)定性判據(jù) 207
5.3.1 數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 208
5.3.2 奈氏判據(jù) 209
5.3.3 奈氏判據(jù)在開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)中有積分環(huán)節(jié)時(shí)的應(yīng)用 211
5.3.4 對(duì)數(shù)穩(wěn)定性判據(jù) 216
5.4 頻域穩(wěn)定裕度 217
5.4.1 相角裕度 218
5.4.2 幅值裕度 218
5.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 221
5.5.1 控制系統(tǒng)的頻帶寬度 221
5.5.2 閉環(huán)頻率特性及特征量 223
5.5.3 頻率域性能指標(biāo)與時(shí)域性能指標(biāo) 224
5.5.4 開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性與時(shí)域響應(yīng)關(guān)系 229
5.6 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)剛度的概念 233
5.7 線(xiàn)性系統(tǒng)頻域的MATLAB分析 235
5.7.1 正弦信號(hào)作用下的輸出信號(hào) 235
5.7.2 頻率響應(yīng)的計(jì)算方法 235
5.7.3 頻率響應(yīng)曲線(xiàn)的繪制 236
5.8 本章小結(jié) 240
習(xí)題 241
第6章 控制系統(tǒng)的綜合與校正 246
6.1 系統(tǒng)校正的基本概念 246
6.1.1 系統(tǒng)的性能指標(biāo) 246
6.1.2 系統(tǒng)的校正方式 247
6.1.3 基本控制規(guī)律 248
6.2 常用校正裝置及其特性 250
6.2.1 超前校正裝置 250
6.2.2 滯后校正裝置 252
6.2.3 滯后超前校正 254
6.3 頻率法校正 255
6.3.1 串聯(lián)超前校正 255
6.3.2 串聯(lián)滯后校正 258
6.3.3 串聯(lián)滯后超前校正 261
6.3.4 綜合法校正(期望值校正) 263
6.4 頻率法反饋校正 265
6.4.1 反饋校正對(duì)系統(tǒng)特性的影響 265
6.4.2 綜合法反饋校正 266
6.5 確定PID參數(shù)的其他方法 269
6.6 系統(tǒng)綜合校正中的MATLAB應(yīng)用 271
6.6.1 超前校正 271
6.6.2 滯后校正 273
6.6.3 PID校正 275
6.7 本章小結(jié) 277
習(xí)題 278
第7章 離散系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 282
7.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 282
7.1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成 283
7.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)流的處理 284
7.2 信號(hào)采樣與保持 285
7.2.1 采樣過(guò)程的數(shù)學(xué)描述 285
7.2.2 采樣定理 287
7.2.3 信號(hào)保持器的特性 289
7.3 z變換理論 290
7.3.1 z變換的定義 290
7.3.2 z變換的求取 291
7.3.3 z變換的基本性質(zhì) 294
7.3.4 z反變換 295
7.3.5 z變換的應(yīng)用 299
7.4 離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 301
7.4.1 線(xiàn)性定常系統(tǒng)的差分方程 302
7.4.2 脈沖傳遞函數(shù) 305
7.5 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差分析 313
7.5.1 離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件 313
7.5.2 勞斯穩(wěn)定判據(jù) 315
7.5.3 朱利穩(wěn)定判據(jù) 316
7.5.4 離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析 319
7.6 離散系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析 322
7.6.1 根與脈沖響應(yīng)的關(guān)系 323
7.6.2 離散控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)及性能指標(biāo) 324
7.6.3 閉環(huán)極點(diǎn)的分布與動(dòng)態(tài)性能的關(guān)系 326
7.7 離散控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) 329
7.7.1 離散系統(tǒng)的校正方式 329
7.7.2 數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù) 329
7.7.3 最少拍系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 330
7.8 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的模擬化設(shè)計(jì)方法 334
7.8.1 差分變換法 335
7.8.2 數(shù)字PID控制器的設(shè)計(jì) 336
7.9 MATLAB在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 340
7.9.1 離散系統(tǒng)的表示 340
7.9.2 綜合應(yīng)用 341
7.10 本章小結(jié) 344
習(xí)題 344
第8章 非線(xiàn)性控制系統(tǒng)分析 348
8.1 概述 348
8.1.1 典型的非線(xiàn)性類(lèi)型 348
8.1.2 分析非線(xiàn)性系統(tǒng)的方法 349
8.2 描述函數(shù)法 350
8.2.1 描述函數(shù)法的定義 350
8.2.2 飽和 351
8.2.3 繼電特性 353
8.2.4 死區(qū) 355
8.2.5 非線(xiàn)性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 356
8.3 相軌跡法 360
8.3.1 基本概念 360
8.3.2 相軌跡的作圖法 361
8.3.3 相平面分析 364
8.4 本章小結(jié) 367
習(xí)題 367
第9章 線(xiàn)性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析 369
9.1 線(xiàn)性系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述 369
9.1.1 狀態(tài)空間的基本概念 369
9.1.2 狀態(tài)空間表達(dá)式的建立及示例 371
9.2 線(xiàn)性定常連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程的解 386
9.2.1 線(xiàn)性定常系統(tǒng)齊次狀態(tài)方程的解 386
9.2.2 線(xiàn)性定常連續(xù)系統(tǒng)非齊次狀態(tài)方程的解 389
9.3 線(xiàn)性系統(tǒng)的可控可觀測(cè)性 391
9.3.1 線(xiàn)性定常系統(tǒng)的可控性 392
9.3.2 線(xiàn)性定常系統(tǒng)的輸出可控性 396
9.3.3 線(xiàn)性定常系統(tǒng)的可觀測(cè)性 397
9.4 線(xiàn)性系統(tǒng)的反饋結(jié)構(gòu)及狀態(tài)觀測(cè)器 400
9.4.1 線(xiàn)性定常系統(tǒng)的常用反饋結(jié)構(gòu) 400
9.4.2 反饋結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)可控性和可觀測(cè)性的影響 402
9.4.3 系統(tǒng)的極點(diǎn)配置 402
9.4.4 全維狀態(tài)觀測(cè)器及其設(shè)計(jì) 406
9.4.5 分離特性 411
9.5 本章小結(jié) 412
習(xí)題 412
附錄 部分函數(shù)的z變換、拉氏變換表 415
參考文獻(xiàn) 416
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