本书系统地介绍了研究单变量控制系统的基本理论、基本方法和工程应用的基本计算要点。主要内容包括线性连续系统的稳定性、瞬态性能和稳态性能的时域、复域和频域理论,以及离散系统的理论基础和非线性系统的一般分析法。全书共分8章: 第1章讲述自动控制系统的基本概念,第2章讲述自动控制系统的数学模型与建模方法,第3~5章讲述控制系统的时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法,第6章讲述控制系统设计和校正的概念与方法,第7章讲述线性离散系统的理论基础,第8章讲述非线性系统的描述函数和相平面分析法。
本书在编写风格上,从贴近学习者的角度,尝试用较轻松活泼的语言讲述专业问题和引出解决思路。
本书适合作为高等院校电类和非电类相关专业本科生的教材,可供有关工程技术人员自学和参考。
自动控制技术广泛应用于工农业生产、交通运输和国防建设的各个领域,并在科学技术现代化的发展与创新过程中发挥着越来越重要的作用。
“自动控制原理”不仅是自动化相关专业的一门专业基础课,而且在机械化工、农工等非电类工程专业的课程设置中也占有重要地位,
计算机生物和经济类专业的学生中也有人选修这一课程。本书作为自动化专业本科教材,系统地讲述了关于自动控制系统建模、分析与设计的基本理论和方法。我们在编写中注意突出以下几个方面:
1. 注重基本理论与基本概念的阐述。通过严谨的数学推导得出清晰的物理概念,并应用数学工具分析工程中的实际系统; 力求深入浅出和突出重点,使学习者能够基于厚实的理论而非止步于复杂的数学过程,进一步学习有关专门文献和控制理论。
2. 注重适用性。教材中除有大量的电类系统实例外,同时考虑了一些机械、化工等非电类系统的内容。
3. 注重启发性。承上启下提出问题,引导学习者思考解决问题的思路,培养学习者主动学习与创新能力。
4. 便于自主学习。内容编排按照系统建模→分析→设计的路线,清晰地展示自动控制理论框架与内容,方便学习者自主学习与参考。
5. 注重综合运用能力。强调了综合运用知识对系统进行综合分析与设计的训练。
本书的课程安排约为80学时,本书内容安排如下:
第1、2章讲述自动控制系统的基本概念和物理系统的数学模型。
第3~5章讲述控制系统的时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法。
第6章讲述控制系统设计和校正的概念与方法。
第7章讲述线性离散系统的理论基础,重点是离散系统的数学描述。
第8章讲述非线性系统的描述函数和相平面分析法。
本书在内容编写风格上,从贴近学习者的角度,尝试用较轻松活泼的语言启发专业问题和引出解决思路,并对每章的主要内容给出了思考题,使学习者能够较容易接受和建立单变量控制系统的理论框架,进而较快地掌握单变量控制系统的分析与设计。
本书是在编者教学团队多年教学实践与经验积累基础上,参考多种相关教材集体编写的。配有《自动控制原理习题集》,以帮助学习者更好地学习和掌握书中有关自动控制系统的基本理论、基本方法和基本计算。本书由李玉惠、晋帆主编,向凤红主审。第1、5、6章由李玉惠执笔,第2、3章由晋帆执笔,第4章由薛洁执笔,第7章由张光辉执笔,第8章由周建华执笔。
编写中参考了很多优秀教材和习题集,编者向收录于参考文献中的各位作者表示诚挚的谢意。本书的编写和出版得到清华大学出版社和昆明理工大学精品课程项目的大力支持与资助。在此表以诚挚的谢意!
书中不当之处,敬请读者批评指正。
第1章自动控制系统的基本概念
1.1引言
1.1.1自动控制的自然系统和人造系统
1.1.2自动控制理论发展简史
1.1.3自动控制中的常用术语
1.2开环控制系统和闭环控制系统
1.2.1开环控制系统
1.2.2闭环控制系统
1.2.3复合控制系统
1.3自动控制系统的基本构成
1.4自动控制系统的分类和应用
1.5对自动控制系统的基本要求
思考题与习题
第2章自动控制系统的数学模型
2.1建立动态微分方程的一般方法
2.2非线性系统微分方程模型的线性化
2.3传递函数
2.3.1拉普拉斯变换
2.3.2传递函数
2.3.3典型环节的传递函数
2.4系统动态结构图
2.4.1结构图的基本概念
2.4.2结构图的组成和建立
2.4.3结构图的等效变换
2.5自动控制系统的传递函数
2.5.1系统的开环传递函数
2.5.2闭环系统的传递函数
2.5.3闭环系统的偏差传递函数
2.6信号流图
2.6.1信号流图采用的符号及术语
2.6.2信号流图的等效变换法则
2.6.3梅逊增益公式
思考题与习题
第3章线性系统的时域分析
3.1自动控制系统时域响应的基本概念
3.2自动控制系统的稳定性和代数稳定判据
3.2.1自动控制系统稳定性
3.2.2劳斯胡维茨判据
3.3一阶系统的阶跃响应
3.4二阶系统的阶跃响应
3.5二阶系统的时域指标
3.5.1时域指标及其计算
3.5.2具有零点的二阶系统
3.6高阶系统
3.6.1高阶系统的时域分析
3.6.2主导极点和主导极点法
3.7误差分析
3.7.1稳态误差的概念
3.7.2稳态误差的计算
3.7.3动态误差系数
3.7.4减小稳态误差的方法
思考题与习题
第4章根轨迹分析法
4.1根轨迹的基本概念
4.2绘制根轨迹的基本条件和规则
4.2.1根轨迹方程
4.2.2绘制根轨迹的基本规则
4.3特殊根轨迹
4.3.1参数根轨迹
4.3.2正反馈系统根轨迹
4.3.3具有纯滞后环节系统的根轨迹
4.4用根轨迹法分析系统性能
4.4.1闭环极点的位置与系统性能的关系
4.4.2增加开环零、极点对系统性能的影响
思考题与习题
第5章频域分析法
5.1频率特性及其表示法
5.1.1频率特性的基本概念
5.1.2频率特性的表示方法
5.2典型环节的频率特性
5.2.1比例环节的频率特性
5.2.2惯性环节的频率特性
5.2.3积分环节的频率特性
5.2.4微分环节的频率特性
5.2.5振荡环节的频率特性
5.2.6时滞环节
5.2.7最小相位与非最小相位环节
5.3系统开环频率特性的绘制
5.3.1系统的开环幅相频率特性
5.3.2系统的开环对数频率特性
5.4用频率特性分析控制系统的稳定性
5.4.1控制系统的稳定判据
5.4.2应用开环幅相频率特性判断闭环系统的稳定性
5.4.3应用系统开环对数频率特性判断闭环系统的稳定性
5.4.4奈氏稳定判据应用举例
5.4.5频率域中描述系统的稳定裕量
5.5系统瞬态特性和开环频率特性的关系
5.5.1开环对数频率特性的基本性质
5.5.2系统瞬态特性和开环频率特性的关系
5.6闭环系统频率特性
5.6.1闭环系统频率特性与开环系统频率特性的关系
5.6.2闭环系统等M、等θ圆及尼氏图
5.6.3非单位反馈系统的闭环频率特性
5.7系统瞬态特性和闭环频率特性的关系
5.7.1谐振峰值Mp和超调量δ%之间的关系
5.7.2谐振峰值Mp和调整时间ts的关系
5.7.3频带宽BW和ξ之间的关系
思考题与习题
第6章控制系统的设计
6.1引言
6.1.1设计要求
6.1.2性能指标
6.1.3校正方式
6.2系统校正的根轨迹法
6.2.1超前校正
6.2.2滞后校正
6.3系统校正的频率响应法
6.3.1串联超前校正
6.3.2串联滞后校正
6.3.3串联滞后超前校正
6.4反馈校正
思考题与习题
第7章线性离散系统的理论基础
7.1采样控制系统的基本概念
7.2信号的采样和保持
7.2.1采样过程及采样函数的数学表达式
7.2.2采样定理
7.2.3信号的保持
7.3Z变换
7.3.1Z变换
7.3.2Z反变换
7.3.3差分方程
7.4脉冲传递函数
7.4.1脉冲传递函数的定义
7.4.2开环系统脉冲传递函数
7.4.3闭环系统脉冲传递函数
7.5采样控制系统的时域分析
7.5.1采样控制系统的稳定性分析
7.5.2采样控制系统的稳态误差分析
7.5.3采样控制系统的瞬态特性分析
思考题与习题
第8章非线性系统
8.1非线性系统的特点
8.2典型非线性特性
8.2.1饱和特性
8.2.2间隙特性
8.2.3死区特性
8.2.4继电特性
8.2.5变放大系数特性
8.3描述函数法基础
8.3.1典型非线性特性的描述函数
8.3.2组合非线性特性的描述函数
8.4非线性系统的描述函数法分析
8.4.1描述函数法的应用条件
8.4.2非线性系统结构图的简化
8.4.3非线性系统的稳定性及自振分析
8.5相平面法基础
8.5.1相平面、相轨迹及相平面图
8.5.2相轨迹和相平面图的性质
8.5.3相平面图的绘制
8.6二阶系统的相轨迹
8.6.1奇点
8.6.2极限环
8.6.3渐近线
8.7非线性系统的相平面法分析
思考题与习题
参考文献