自動(dòng)控制理論

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自動(dòng)控制理論是自動(dòng)控制科學(xué)的核心。自動(dòng)控制理論自已經(jīng)過了三代的發(fā)展：第一代為20世紀(jì)初開始形成并于50年代在線性代數(shù)的數(shù)學(xué)甚而上發(fā)展起來的現(xiàn)代控制理論；第三代為60年代中期即已萌芽，在發(fā)展過程中綜合了人工智能、自動(dòng)控制、運(yùn)籌學(xué)、信息論等多學(xué)科的最新成果并在此基礎(chǔ)上形成的智能控制理論。

中文名

自動(dòng)控制理論

外文名

Automatic Control Theory

核心

自動(dòng)控制科學(xué)

第一代

20世紀(jì)初

第三代

60年代

自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類有多種方法。

①按控制裝置類型，可分為常規(guī)控制和計(jì)算機(jī)控制兩種。常規(guī)控制采用模擬式控制器（見控制儀表），計(jì)算機(jī)控制采用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。②按有無反饋，可分為閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)。

③按設(shè)定值是否固定，可分定值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)的設(shè)定值固定不變，控制系統(tǒng)可自動(dòng)克服擾動(dòng)的影響，使被控變量保持基本恒定。隨動(dòng)控制系統(tǒng)中設(shè)定值是變化的，系統(tǒng)使被控變量隨設(shè)定值而變化。例如，在化工生產(chǎn)中,要求物料A的流量與另一物料B的流量保持一定的比值，如果物料B的流量是變化的，物料A的流量就必須隨之變化，此時(shí)物料A的流量控制就屬于隨動(dòng)控制類型。

離散控制理論在計(jì)算中也有很廣泛的應(yīng)用，例如，開方：

開方公式：X(n 1)=Xn [A/X^(k-1)-Xn]1/k.

例如我們開3次方，即K=3；

公式：X(n 1)=Xn [A/X^2-Xn]1/3

例如，A=5，5在1的3次方和2的3次方之間，X0無論取1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0都可以。假如我們?nèi)?為初始值：

第一步：2 (5/2x2-2)1/3=1.7=X1

第二步：1.7 (5/1.7x1.7-1.7)1/3=1.71=X3

第三步：1.71 (5/1.71x1.71-1.71)1/3=1.709=X4

第四步：1.709 (5/1.709x1.709-1.709)1/3=1.7099=X5

每計(jì)算一次，比上一次多取一位數(shù)，計(jì)算次數(shù)與精確度成正比。取值偏大公式會(huì)自動(dòng)調(diào)小，例如第一步和第二步，取值偏小公式會(huì)自動(dòng)調(diào)大，例如第三步，第四步。 2100433B

本書是突出工程理念、依托系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)踐類教材，強(qiáng)調(diào)控制理論的基本概念、基本原理和基本方法，注重對(duì)物理系統(tǒng)的建模和按實(shí)際系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，體現(xiàn)“做中學(xué)”的工程教育理念。本書由兩大部分組成，第一部分介紹自動(dòng)控制原理的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、模擬仿真和數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)，第二部分介紹常見系統(tǒng)設(shè)計(jì)典型案例。

第1章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

1.1 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

1.2 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型之間的變換

1.3 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的組合連接

思考題

第2章 時(shí)域響應(yīng)法

2.1 控制系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)概述

2.2 控制系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)的MATLAB實(shí)現(xiàn)

2.2.1 用MATLAB函數(shù)進(jìn)行暫態(tài)響應(yīng)分析

2.2.2 用MATLAB函數(shù)進(jìn)行線性系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

2.2.3 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

2.3 控制系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)性能分析(傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn))

2.3.1 典型環(huán)節(jié)

2.3.2 典型二階系統(tǒng)

2.3.3 典型三階系統(tǒng)

2.4 控制系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)的數(shù)字仿真

思考題

第3章 根軌跡法

3.1 根軌跡的概念及其繪制方法

3.1.1 根軌跡的概念

3.1.2 繪制系統(tǒng)根軌跡的基本法則

3.1.3 控制系統(tǒng)的根軌跡分析

3.2 根軌跡繪制舉例

3.3 采用MATLAB繪制根軌跡

思考題

第4章 頻率特性法

4.1 頻率特性及其表示

4.1.1 頻率特性概念

4.1.2 開環(huán)頻率特性

4.1.3 頻率分析法

4.1.4 開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻的三頻段

4.2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性

4.3 開環(huán)頻率特性的繪制

4.3.1 開環(huán)幅相頻率特性的繪制(極坐標(biāo)圖)

4.3.2 開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性(伯德圖)

4.4 最小相位系統(tǒng)與非最小相位系統(tǒng)

4.4.1 最小相位系統(tǒng)定義

4.4.2 最小相位系統(tǒng)的特征

4.4.3 非最小相位系統(tǒng)的頻率特性

4.5 基于 MATLAB的頻域特性分析

思考題

第5章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正

5.1 校正概念及常用校正裝置

5.1.1 校正的基本概念

5.1.2 常用校正裝置

5.2 常用校正方法

5.2.1 頻率法校正

5.2.2 根軌跡法校正

5.3 控制系統(tǒng)校正實(shí)驗(yàn)（傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)）

5.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?nèi)容及步驟

5.3.2 實(shí)驗(yàn)過程分析

5.4 基于MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例

思考題

第6章 非線性和采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.1 非線性系統(tǒng)及數(shù)學(xué)模型

6.1.1 常用方法

6.1.2 典型非線性環(huán)節(jié)及數(shù)學(xué)模型

6.2 非線性控制系統(tǒng)的建模及設(shè)計(jì)（傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)）

6.2.1 典型非線性特性的模擬電路

6.2.2 實(shí)例考察

6.2.3 實(shí)驗(yàn)要求

6.3 基于MATALB的非線性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.4 采樣控制系統(tǒng)分析

6.4.1 基本概念

6.4.2 數(shù)學(xué)模型

6.4.3 差分方程求解

6.4.4 脈沖傳遞函數(shù)（z傳遞函數(shù)）

6.5 基于MATLAB的采樣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.5.1 連續(xù)系統(tǒng)的離散化

6.5.2 求離散系統(tǒng)的響應(yīng)

思考題

第7章 狀態(tài)變量控制系統(tǒng)

7.1 線性定常系統(tǒng)狀態(tài)方程及其解

7.1.1 基本概念

7.1.2 MATLAB的應(yīng)用

7.1.3 實(shí)驗(yàn)要求

7.2 能控性和能觀性的判別

7.2.1 基本原理

7.2.2 MATLAB在能控能觀性等方面的應(yīng)用

7.2.3 實(shí)驗(yàn)要求

7.3 穩(wěn)定性

7.3.1 基本概念

7.3.2 MATLAB在李雅普諾夫穩(wěn)定性上的應(yīng)用

7.3.3 實(shí)驗(yàn)要求

7.4 極點(diǎn)配置和狀態(tài)觀測(cè)器

7.4.1 基本要點(diǎn)

7.4.2 MATLAB在極點(diǎn)配置和狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用

7.4.3 實(shí)驗(yàn)要求

思考題

第8章 控制系統(tǒng)典型案例

8.1 位置隨動(dòng)系統(tǒng)

8.1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

8.1.2 數(shù)學(xué)模型

8.1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

8.2 水箱液位控制系統(tǒng)

8.2.1 單容水箱液位控制系統(tǒng)

8.2.2 雙容水箱液位控制系統(tǒng)

8.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

8.3.1 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

8.3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第9章 復(fù)雜控制典型案例

9.1 倒立擺控制系統(tǒng)

9.1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

9.1.2 倒立擺PID控制

9.1.3 倒立擺LQR控制

9.2 三自由度直升機(jī)

9.2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

9.2.2 控制器設(shè)計(jì)

9.2.3 仿真實(shí)驗(yàn)

9.3 四旋翼飛行器

9.3.1 模型的力學(xué)分析

9.3.2 PID控制器設(shè)計(jì)

9.3.3 線性二次最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)

附錄A MATLAB基礎(chǔ)

A.1 MATLAB基礎(chǔ)

A.2 Simulink基礎(chǔ)

A.3 計(jì)算機(jī)仿真基礎(chǔ)

附錄B 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置功能介紹

B.1 實(shí)驗(yàn)裝置概述

B.2 安裝指南及系統(tǒng)要求

B.3 功能使用說明

參考文獻(xiàn) 2100433B

《自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)及綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)》以最新教學(xué)大綱為依據(jù)，對(duì)作者多年教學(xué)改革實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，分別用經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論的分析與設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究；然后，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析；最后，利用本課程的綜合知識(shí)或與本課程相關(guān)的知識(shí)獨(dú)立完成較強(qiáng)的綜合性系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在將經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合的基礎(chǔ)上，將計(jì)算機(jī)仿真與系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)融為一體。為適應(yīng)教學(xué)改革及學(xué)時(shí)壓縮的需要，全書共分四章，內(nèi)容有古典控制理論基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，控制理論MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)和控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)。所用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備XMN-2 型自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)機(jī)、示波器、XD2信號(hào)發(fā)生器在附錄中均給出了詳細(xì)使用說明。