本書是根據(jù)培養(yǎng)應(yīng)用型人才的基本要求編寫的,系統(tǒng)地介紹了自動控制原理經(jīng)典控制理論部分的主要內(nèi)容。全書共分8章,內(nèi)容包括緒論、自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的時域分析法、控制系統(tǒng)的根軌跡分析方法、控制系統(tǒng)的頻域分析法、控制系統(tǒng)的校正方法、采樣控制系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的MATLAB仿真應(yīng)用。本書從工程實際應(yīng)用出發(fā),內(nèi)容全面,重點突出,敘述深入淺出、循序漸進、通俗易懂,每章都配有一定數(shù)量的例題和習(xí)題,并附有教學(xué)目標(biāo)和本章小結(jié),便于教師教學(xué)和學(xué)生自學(xué)。
在今天的社會生活中,自動化裝置無所不在,自動控制原理作為工科院校重要的技術(shù)基礎(chǔ)課,不僅對工程技術(shù)有指導(dǎo)作用,而且對培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力、幫助學(xué)生建立理論聯(lián)系實際的科學(xué)觀點和提高綜合分析問題的能力,都具有重要的作用。深入理解、掌握自動控制的概念、原理、思想和方法,對于學(xué)生日后解決實際控制工程問題、掌握控制理論其他學(xué)科領(lǐng)域的知識來說,都是*的基礎(chǔ)。自動控制原理是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程,本書系統(tǒng)闡述經(jīng)典控制理論,以線性定常系統(tǒng)為主,介紹控制系統(tǒng)的基本理論和方法。本課程研究的內(nèi)容圍繞系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)分析、控制系統(tǒng)設(shè)計與校正這三個方面展開。1. 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型本課程主要討論線性定常系統(tǒng)在時域、復(fù)域、頻域的數(shù)學(xué)模型,包括各種解析表達式、結(jié)構(gòu)圖與信號流圖等不同的表現(xiàn)形式。分析法是建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本方法。2. 控制系統(tǒng)分析控制系統(tǒng)分析包括穩(wěn)定性分析、動態(tài)性能分析與穩(wěn)態(tài)性能分析。穩(wěn)定性分析包括各種穩(wěn)定性的判定方法、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)對穩(wěn)定性的影響等內(nèi)容;動態(tài)性能分析包括各種動態(tài)性能指標(biāo)的計算、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)對動態(tài)性能的影響、改善系統(tǒng)動態(tài)特性的途徑等內(nèi)容;穩(wěn)態(tài)性能分析包括穩(wěn)態(tài)誤差的計算、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)對穩(wěn)態(tài)誤差的影響、提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的途徑等內(nèi)容。這三個方面的內(nèi)容,將從不同的角度討論系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響,從而指出改善系統(tǒng)性能的途徑。3. 控制系統(tǒng)設(shè)計與校正控制系統(tǒng)的設(shè)計與校正是本課程的一個重要內(nèi)容。系統(tǒng)設(shè)計是在給出被控對象及其技術(shù)指標(biāo)要求的情況下,尋求一個能完成控制任務(wù)、滿足技術(shù)指標(biāo)要求的控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)的主要元器件和結(jié)構(gòu)形式確定以后,為了滿足動態(tài)性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)的要求,設(shè)計任務(wù)往往是改變系統(tǒng)的某些參數(shù),有時還要改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),選擇合適的校正裝置,計算、確定其參數(shù)并加入系統(tǒng)之中,使系統(tǒng)滿足預(yù)定的性能指標(biāo)要求。這個過程稱為系統(tǒng)的校正。本課程主要介紹系統(tǒng)常見的校正元件與裝置特性以及頻率特性法的校正方法。設(shè)計問題要比分析問題更為復(fù)雜。設(shè)計問題的答案往往并不唯一,對系統(tǒng)提出的同樣一組要求,往往可以采用不同的方案來滿足;在選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)時,往往會出現(xiàn)相互矛盾的情況,需要折中處理,同時必須考慮控制方案的可實現(xiàn)性和實現(xiàn)方法。設(shè)計時,還要通盤考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟性、可靠性、安裝工藝、使用環(huán)境等各方面的問題。分析系統(tǒng)的目的在于了解和認(rèn)識已有的系統(tǒng)。對于從事自動控制領(lǐng)域工作的工程技術(shù)人員而言,更重要的是校正系統(tǒng),改造那些性能指標(biāo)未達到要求的系統(tǒng),使其能夠完成確定的工作。自動控制原理(經(jīng)典控制)前言本書闡述了自動控制的基本原理,系統(tǒng)地介紹了自動控制系統(tǒng)分析和綜合設(shè)計的基本方法。全書共分7章,主要講述了線性定常系統(tǒng)的理論,具體包括自動控制的一般概念,描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其建立方法,用于系統(tǒng)分析、校正的時域法、根軌跡法和頻域法;詳細(xì)討論了系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性的定量計算與系統(tǒng)反饋、前饋校正方法,介紹了根軌跡的繪制法則以及利用根軌跡分析系統(tǒng)性能的方法,系統(tǒng)講述了頻率特性的繪制、頻域中的穩(wěn)定判據(jù)、性能分析以及串聯(lián)校正方法。本書在編寫過程中參考了其他院校老師們編寫的教科書,同時得到了我校院系、教務(wù)處等部門有關(guān)同志的大力幫助,另外,浙江巨化檢安石化工程有限公司的姜建學(xué)、程武對本書中的實例進行了驗證應(yīng)用。在此,謹(jǐn)向關(guān)心并為本書的出版付出辛勤勞動的所有同志表示深深的謝意!對書中存在的錯誤及不妥之處,懇請各位讀者、同行批評指正。
陳銘,女,武漢理工大學(xué)控制工程碩士,副教授,湖北文理學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院系支部書記。湖北省一流課程《自動控制原理》課程負(fù)責(zé)人。湖北文理學(xué)院教學(xué)標(biāo)兵。主持湖北省高教教學(xué)研究項目1項;參與省部級項目2項,主持完成市廳級項目1項;主持完成橫項5項,橫項經(jīng)費達130萬;學(xué)校質(zhì)量工程1項,學(xué)校教研項目5項;發(fā)表學(xué)術(shù)論文多篇,其中SCI 5篇,EI檢索3篇,CSCD期刊3篇,核心期刊1篇;授權(quán)實用新型專利2項;專著1部,教材1部。獲襄陽市科學(xué)技術(shù)成果推廣獎二等獎,湖北文理學(xué)院第七屆教學(xué)質(zhì)量優(yōu)秀獎二等獎,青年教師教學(xué)競賽二等獎,學(xué)校優(yōu)秀教案二等獎等多項獎勵;指導(dǎo)學(xué)生競賽獲獎多次,其中全國大學(xué)生智恩浦杯智能汽車競賽獲全國二等獎1次,華南賽區(qū)1等獎、2等獎多次;全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽省級二等獎多次。主要著作:[1]Automating smart Internet of Things devices in modern homes using context-based fuzzy logic,《COMPUTATIONAL INTELLIGENCNE》,SCI和EI雙檢索,2020.9 Computational Intelligence. 2020;120. [2]雙一流建設(shè)背景下地方性高校自動化專業(yè)教學(xué)模式的提升與研究,《摩擦學(xué)學(xué)報》,CSCD、北大核心,2021.2[3]虛擬仿真在化工試驗教學(xué)中的應(yīng)用研究,《塑料工業(yè)》,CSCD、北大核心,2020.2[4]基于特征的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人民幣號碼識別系統(tǒng), 《測控技術(shù)》,北大核心.2014.12
第1章 自動控制的一般概念(1)
1.1 自動控制和自動控制系統(tǒng)(1)
1.2 自動控制系統(tǒng)應(yīng)用實例(4)
1.3 自動控制系統(tǒng)的組成(9)
1.4 自動控制系統(tǒng)的分類和控制性能的基本要求(10)
1.5 自動控制理論的發(fā)展歷程(12)
本章小結(jié)(16)
習(xí)題1(16)
第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(19)
2.1 控制系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型(19)
2.2 控制系統(tǒng)的復(fù)域數(shù)學(xué)模型(25)
2.3 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖及其等效變換(30)
2.4 控制系統(tǒng)的信號流圖及梅森增益公式(42)
2.5 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(46)
2.6 MATLAB中數(shù)學(xué)模型的表示(50)
本章小結(jié)(51)
習(xí)題2(52)
第3章 線性系統(tǒng)的時域分析(57)
3.1 時域法的典型輸入及性能指標(biāo)(57)
3.2 一階系統(tǒng)的時域響應(yīng)及動態(tài)性能(60)
3.3 二階系統(tǒng)的時域響應(yīng)及動態(tài)性能(64)
3.4 高階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)及動態(tài)性能(79)
3.5 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析(83)
3.6 線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差(89)
3.7 線性系統(tǒng)時域校正(96)
本章小結(jié)(100)
習(xí)題3(102)
第4章 線性系統(tǒng)的復(fù)域分析(107)
4.1 根軌跡法(108)
4.2 繪制根軌跡的八大法則(113)
4.3 參數(shù)根軌跡與零度根軌跡(124)
4.4 用根軌跡法分析系統(tǒng)性能(128)
本章小結(jié)(135)
習(xí)題4(136)
第5章 線性系統(tǒng)的頻域分析(139)
5.1 頻率特性(140)
5.2 典型環(huán)節(jié)及其頻率特性(147)
5.3 系統(tǒng)開環(huán)頻率特性曲線的繪制(159)
5.4 頻域穩(wěn)定判據(jù)(174)
5.5 穩(wěn)定裕度(183)
5.6 用開環(huán)對數(shù)幅頻特性分析系統(tǒng)的性能(187)
本章小結(jié)(194)
習(xí)題5(195)
第6章 線性系統(tǒng)的頻域校正(201)
6.1 校正的基本概念和方法(201)
6.2 串聯(lián)超前校正(206)
6.3 串聯(lián)滯后校正(215)
6.4 串聯(lián)滯后超前校正(221)
6.5 串聯(lián)PID校正(225)
本章小結(jié)(229)
習(xí)題6(230)
第7章 控制原理實驗指導(dǎo)書(233)
7.1 EL-AT-Ⅲ實驗系統(tǒng)簡介(233)
7.2 EL-AT-Ⅲ實驗系統(tǒng)使用說明(235)
7.3 實驗指導(dǎo)書(237)
7.4 實驗說明及參考答案(260)
7.5 實驗仿真參考曲線(270)
附錄(289)
附錄A 拉普拉斯變換及反變換(289)
附錄B 常見的無源及有源校正網(wǎng)絡(luò)(292)
參考文獻(295)