教材教辅
自动控制原理

本书比较全面地阐述了自动控制的基本原理,分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。全书共分十四章,主要内容包括:自动控制原理数学基础、绪论、控制系统的数学模型、控制系统的……

  • 作者刘振全
  • 出版社西安电子科技大学出版社
  • 发行日期2017.02
  • ISBN9787560643304
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简介:

本书比较全面地阐述了自动控制的基本原理,分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。
全书共分十四章,主要内容包括:自动控制原理数学基础、绪论、控制系统的数学模型、控制系统的时域分析、控制系统的根轨迹分析、控制系统的频域分析、控制系统的校正、非线性系统的分析、线性离散时间控制系统、控制系统的状态空间描述、线性控制系统的运动分析、线性控制系统的能控性与能观测性、控制系统的稳定性、线性定常系统的状态反馈和状态观测器设计。附录给出了自动控制原理 MATLAB仿真的常用命令。全书内容取材新颖,阐述深入浅出。为了便于自学,各章均包括丰富的例题和习题
本书可作为工科院校或应用型本科自动化、电气工程及自动化、通信工程、电子信息工程、测控技术与仪器、机电一体化等专业的本科生教材或主要参考书,也可供相关专业的研究生或从事自动化工作的工程技术人员参考

部分内容:

1.5.1对控制系统的基本要求
尽管自动控制系统有不同的类型,对每个系统也都有不同的特殊要求,但对于各类系统来说,在已知系统的结构和参数时,对该系统在某种典型输入信号作用下,其被控变量变化全过程的基本要求都是一样的,可以归结为稳定性、准确性和快速性,即稳、准、快的要求。
1.稳定性
对于一个自动控制系统,最基本要求为:系统是绝对稳定的。否则系统无法正常工作,也无法完成控制任务,甚至会毁坏设备,造成重大损失。考虑到实际系统工作环境或参数的变动,可能导致系统不稳定,因此,除要求系统稳定外,还要求其具有一定的稳定裕量。
稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件,是控制系统的重要特性。所谓稳定性是指控制系统偏离平衡状态后,自动恢复到平衡状态的能力。在扰动信号干扰、系统内部参数发生变化和环境条件改变等情况下,系统状态偏离了平衡状态,如果在随后所有时间内,系统的输出响应能够最终回到原先的平衡状态,则系统是稳定的;反之,如果系统的输岀响应逐渐增加趋于无穷,或者进人振荡状态,则系统是不稳定的。不稳定的系统是不能工作的。
2.准确性
准确性就是要求被控量和设定值(输入量)之间的误差达到所要求的精度范围。准确性反映了系统的稳态精度,通常控制系统的稳态精度可以用稳态误差来表示。根据输入点的不同,一般可以分为参考输人稳态误差和扰动输入稳态误差。对于随动控制系统或其他有控制轨迹要求的系统,还应当考虑动态误差。误差越小,控制精度或准确性就越高
3.快速性
为了很好地完成控制任务,控制系统不仅要稳定并具有较高的精度,还必须对过渡过程的形式和快慢提出要求,这个要求一般称为系统的动态性能。通常情况下,当系统由个平衡状态过渡到另一个平衡状态时,都希望过渡过程既快速又平稳。因此,在控制系统设计时,对控制系统的过渡过程时间(即快速性)和最大振荡幅度(即超调量)都有一定的要求

书签:

上部:经典控制理论 2
第0章 自动控制原理数学基础 2
0.1 拉普拉斯变换 2
0.1.1 拉普拉斯变换的定义 2
0.1.2 拉普拉斯变换的基本性质 3
0.1.3 用拉普拉斯变换解线性微分方程 4
0.2 辐角原理 6
0.2.1 函数F(s)的映射 6
0.2.2 辐角原理 7
0.3 Z变换理论 8
0.3.1 Z变换的定义 8
0.3.2 Z变换的性质 11
0.3.3 Z反变换 12
习题0 14
第1章 绪论 15
1.1 自动控制的发展简史 15
1.1.1 经典控制理论 16
1.1.2 现代控制理论 16
1.1.3 智能控制理论 16
1.2 开环控制系统与闭环控制系统 17
1.3 典型自动控制系统 18
1.4 自动控制系统的类型 19
1.4.1 线性系统和非线性系统 19
1.4.2 连续时间系统和离散时间系统 19
1.4.3 定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统 19
1.5 自动控制系统的性能指标 20
1.5.1 对控制系统的基本要求 20
1.5.2 稳态性能指标 20
1.5.3 暂态性能指标 21
习题1 21
第2章 控制系统的数学模型 22
2.1 微分方程式的建立 22
2.1.1 机械系统 22
2.1.2 电气系统 23
2.2 非线性数学模型的线性化 24
2.3 传递函数 27
2.3.1 传递函数的定义 27
2.3.2 传递函数的性质 28
2.3.3 传递函数的常用形式 29
2.3.4 典型环节及其传递函数 30
2.4 系统传递函数和结构图的等效变换 34
2.4.1 结构图的组成 34
2.4.2 典型连接的等效传递函数 35
2.4.3 比较点及引出点的变位运算 38
2.4.4 系统对给定作用和扰动作用的传递函数 44
2.5 信号流图 46
2.5.1 信号流图的组成 46
2.5.2 信号流图的常用术语 46
2.5.3 信号流图的性质 47
2.5.4 信号流图的绘制 47
2.5.5 梅逊增益公式 49
习题2 52
第3章 控制系统的时域分析 55
3.1 自动控制系统的时域指标 55
3.1.1 自动控制系统的典型输入信号 55
3.1.2 自动控制系统的时域指标 57
3.2 一阶系统的动态响应 60
3.2.1 一阶系统的数学模型 60
3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应 60
3.2.3 一阶系统的单位脉冲响应 61
3.2.4 一阶系统的单位斜坡响应和单位加速度响应 62
3.3 二阶系统的阶跃响应 63
3.3.1 典型二阶系统的数学模型 63
3.3.2 二阶系统的动态性能指标 64
3.3.3 二阶系统特征参数与动态性能指标之间的关系 72
3.3.4 二阶系统工程最佳参数 73
3.3.5 零点对二阶系统动态性能的影响 74
3.4 高阶系统的动态响应 75
3.4.1 高阶系统的阶跃响应 75
3.4.2 高阶系统的降阶 76
3.5 自动控制系统的代数稳定判据 78
3.5.1 线性系统稳定性的概念和稳定的充分必要条件 78
3.5.2 劳斯稳定判据 80
3.5.3 赫尔维茨稳定判据 83
3.5.4 参数对稳定性的影响 84
3.5.5 相对稳定性和稳定裕量 85
3.6 控制系统的稳态误差 86
3.6.1 稳态误差的定义及计算 86
3.6.2 静态误差系数法计算稳态误差 90
3.6.3 减小稳态误差的方法 94
习题3 95
第4章 控制系统的根轨迹分析 98
4.1 根轨迹的基本概念 98
4.1.1 引例 98
4.1.2 根轨迹方程 99
4.2 绘制根轨迹的基本规则 100
4.3 控制系统根轨迹绘制举例 108
4.4 广义根轨迹 112
4.4.1 参数根轨迹 112
4.4.2 正反馈系统根轨迹的绘制 113
4.4.3 非最小相位系统根轨迹的绘制 115
4.5 线性系统的根轨迹分析方法 116
4.5.1 线性系统的根轨迹分析举例 116
4.5.2 增加开环零极点对根轨迹的影响 119
习题4 119
第5章 控制系统的频域分析 123
5.1 频率特性 123
5.1.1 频率特性的基本概念 123
5.1.2 频率特性的定义 126
5.1.3 频率特性的几何表示法 126
5.2 典型环节的频率特性 128
5.3 系统的开环频率特性 138
5.3.1 最小相位系统和非最小相位系统 138
5.3.2 开环幅相曲线(极坐标图)的绘制 139
5.3.3 开环对数频率特性曲线的绘制 142
5.4 奈奎斯特判据和系统的相对稳定性 145
5.4.1 映射定理 146
5.4.2 奈奎斯特稳定判据 146
5.4.3 虚轴上有开环极点时的奈氏判据 147
5.4.4 根据伯德图判断系统的稳定性 150
5.4.5 系统的相对稳定性和稳定裕度 151
5.4.6 截止频率ωc的近似求取法 154
5.4.7 “三频段”的概念 155
习题5 157
第6章 控制系统的校正 162
6.1 系统的设计与校正问题 162
6.1.1 被控对象 162
6.1.2 控制系统的性能指标 162
6.1.3 系统带宽的选择 163
6.1.4 校正方式 164
6.2 频率法串联超前校正 165
6.2.1 无源超前校正网络及其特性 165
6.2.2 频率法串联超前校正 167
6.3 频率法串联滞后校正 170
6.3.1 无源滞后网络及其特性 170
6.3.2 频率法串联滞后校正 172
6.4 频率法反馈校正 174
6.5 控制系统的复合校正 177
6.5.1 按扰动补偿的复合校正 177
6.5.2 按输入补偿的复合校正 179
习题6 180
第7章 非线性系统的分析 184
7.1 非线性系统概述 184
7.1.1 非线性系统的描述与特点 184
7.1.2 典型的非线性特性 186
7.1.3 非线性系统的分析方法 190
7.2 相平面分析法 190
7.2.1 相平面的基本概念 190
7.2.2 线性系统的相轨迹 193
7.2.3 非线性系统的相轨迹 196
7.2.4 非线性系统的相平面分析 200
7.3 描述函数分析法 202
7.3.1 描述函数的定义 202
7.3.2 典型非线性环节的描述函数 204
7.3.3 描述函数分析法 207
7.3.4 非线性系统的简化 212
习题7 214
第8章 线性离散时间控制系统 217
8.1 信号采样与采样定理 217
8.1.1 概述 217
8.1.2 采样过程 218
8.1.3 采样定理 219
8.2 信号保持器 220
8.2.1 零阶保持器 221
8.2.2 一阶保持器 223
8.3 离散系统的数学模型 223
8.3.1 差分方程 224
8.3.2 差分方程求解 225
8.3.3 脉冲传递函数 225
8.3.4 一种求取闭环脉冲传递函数的简易方法 230
8.4 离散系统的稳定性分析 232
8.4.1 离散系统的稳定条件 232
8.4.2 离散系统的劳斯稳定判据 233
8.4.3 离散系统的朱利稳定判据 235
8.4.4 采样周期与开环增益对稳定性的影响 237
8.5 离散系统的稳态误差 237
8.6 离散系统的动态性能 239
8.7 离散系统的校正 241
8.7.1 数字控制器的脉冲传递函数 241
8.7.2 最少拍系统的脉冲传递函数 242
习题8 246
下部:现代控制理论 250
第9章 控制系统的状态空间描述 250
9.1 控制系统中状态的基本概念 250
9.2 控制系统的状态空间表达式 251
9.2.1 状态空间表达式的概念 251
9.2.2 状态空间表达式的一般形式 252
9.2.3 状态空间表达式的系统结构图与模拟结构图 255
9.3 根据系统的物理机理建立状态空间表达式 256
9.4 根据系统的微分方程建立状态空间表达式 257
9.4.1 微分方程中不含有输入信号的导数项 258
9.4.2 微分方程中含有输入信号的导数项 259
9.5 根据系统的方框图或传递函数建立状态空间表达式 263
9.5.1 几种常见环节的状态变量图 263
9.5.2 由传递函数导出状态空间模型 264
9.6 从状态空间表达式求取传递函数矩阵 268
9.7 系统状态空间表达式的特征标准型 269
9.7.1 系统状态的线性变换 269
9.7.2 系统的特征值和特征向量 270
9.7.3 状态方程的对角线标准型 272
9.7.4 状态方程的约当(Jordan)标准型 275
习题9 277
第10章 线性控制系统的运动分析 280
10.1 线性定常齐次系统状态方程的解 280
10.1.1 标量微分方程的解 280
10.1.2 齐次状态方程的解 280
10.2 状态转移矩阵 281
10.2.1 状态转移矩阵的性质 281
10.2.2 几个特殊的状态转移矩阵 281
10.2.3 状态转移矩阵的一般求法 283
习题10 289
第11章 线性控制系统的能控性与能观测性 291
11.1 问题的提出 291
11.2 线性连续系统的能控性 292
11.2.1 时变系统的能控性 292
11.2.2 定常系统的能控性 293
11.2.3 状态能控性条件的标准型判据 296
11.3 线性连续系统的能观测性 298
11.3.1 时变系统的能观测性 298
11.3.2 定常系统的能观测性 299
11.3.3 状态能观测性的标准型判据 300
11.4 对偶原理 302
11.4.1 线性系统的对偶关系 302
11.4.2 对偶原理 303
11.5 线性系统的能控标准型和能观测标准型 304
11.5.1 系统的能控标准型 304
11.5.2 系统的能观测标准型 306
11.6 线性系统的结构分解 308
11.6.1 系统按能控性的结构分解 308
11.6.2 系统按能观测性的结构分解 311
11.6.3 按能控性和能观测性分解 314
11.7 系统的实现 315
11.7.1 基本概念 315
11.7.2 系统的能控标准型和能观测标准型实现 316
11.7.3 最小实现 320
11.7.4 系统的约当标准型实现 321
11.8 传递函数阵与能控性、能观测性的关系 321
11.8.1 单变量系统 321
11.8.2 多变量系统 322
习题11 323
第12章 控制系统的稳定性 327
12.1 概述 327
12.2 李雅普诺夫稳定性定义 327
12.2.1 平衡状态 327
12.2.2 范数的概念 328
12.2.3 李雅普诺夫稳定性 328
12.3 李雅普诺夫稳定性理论 330
12.3.1 李雅普诺夫第一法 330
12.3.2 李雅普诺夫第二法的二次型函数 331
12.3.3 李雅普诺夫第二法 334
12.4 线性定常连续系统的李雅普诺夫稳定性分析 337
12.5 线性定常离散系统的李雅普诺夫稳定性分析 338
习题12 339
第13章 线性定常系统的状态反馈和状态观测器设计 341
13.1 状态反馈与输出反馈 341
13.1.1 状态反馈 341
13.1.2 输出反馈 343
13.1.3 对两种反馈形式的讨论 343
13.2 闭环系统的极点配置 344
13.2.1 极点配置定理 344
13.2.2 状态反馈增益矩阵k的计算 344
13.2.3 采用输出反馈配置系统的极点 348
13.3 状态观测器的设计 348
13.3.1 状态观测器模型 348
13.3.2 观测器的定义及存在条件 350
13.3.3 状态观测器的设计 350
13.4 带观测器的状态反馈系统 352
13.4.1 系统的结构和状态空间表达式 352
13.4.2 闭环系统的基本特性 353
习题13 355
附录 自动控制原理MATLAB仿真常用命令一览表 358
参考文献 366

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