自動控制原理與系統(tǒng)第4版

前言

第1 篇　自動控制原理

第1 章　自動控制系統(tǒng)概述 2

1. 1　引言 2

1. 2　開環(huán)控制和閉環(huán)控制 3

1. 2. 1　開環(huán)控制系統(tǒng) 3

1. 2. 2　閉環(huán)控制系統(tǒng) 4

1. 3　自動控制系統(tǒng)的組成 6

1. 4　自動控制系統(tǒng)的分類 10

1. 4. 1　按輸入量變化的規(guī)律分類 10

1. 4. 2　按系統(tǒng)傳輸信號對時間的關(guān)系

分類 10

1. 4. 3　按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的

關(guān)系分類 11

1. 4. 4　按系統(tǒng)中的參數(shù)對時間的變化

情況分類 11

1. 5　自動控制系統(tǒng)的性能指標 11

1. 5. 1　系統(tǒng)的穩(wěn)定性 11

1. 5. 2　系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標 12

1. 5. 3　系統(tǒng)的動態(tài)性能指標 12

1. 6　研究自動控制系統(tǒng)的方法 14

小結(jié) 14

思考題 15

習題 15

第2 章　拉普拉斯變換及其應(yīng)用 18

2. 1　拉氏變換的概念 18

2. 2　拉氏變換的運算定理 21

2. 3　拉氏反變換 22

2. 4　應(yīng)用拉氏變換求解微分方程 23

小結(jié) 24

習題 24

第3 章　自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 25

第4 章　分析自動控制系統(tǒng)性能常用的方法 54

第5 章　自動控制系統(tǒng)的性能分析 89

第6 章　自動控制系統(tǒng)的校正(改善系統(tǒng)性能的途徑) 126

第2 篇　自動控制系統(tǒng)

第7 章　直流調(diào)速系統(tǒng) 153

第8 章　交流調(diào)速系統(tǒng)197

第9 章　位置隨動系統(tǒng)227

第10 章　自動控制系統(tǒng)的分析、

調(diào)試及維護維修251

附錄 266

附錄A　常用文字符號 266

附錄B　自動控制技術(shù)術(shù)語的中、英名詞

對照 269

參考文獻 278 2100433B

本書是在2007年出版的普通高等教育國家精品教材、普通高等教育“十一五”規(guī)劃教材《自動控制原理與系統(tǒng)》（第3版）的基礎(chǔ)上進行更新和修訂的。全書分為兩篇，第1篇為自動控制原理，它包括系統(tǒng)數(shù)學模型的建立、分析系統(tǒng)性能的常用方法、系統(tǒng)性能分析和改善系統(tǒng)性能的途徑，以及MATLAB在系統(tǒng)分析中的應(yīng)用。第2篇為自動控制系統(tǒng)，它包括直流調(diào)速系統(tǒng)、交流調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)和MATLAB/SIMULINK系統(tǒng)仿真，以及實際系統(tǒng)的分析與調(diào)試。本書第4版修訂時，保持原書獲得好評的特色，以自動控制原理作為分析工具，自動控制系統(tǒng)作為分析對象，圍繞系統(tǒng)性能分析和改善系統(tǒng)性能途徑，貫穿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部件、系統(tǒng)參數(shù)確定、仿真與調(diào)試，理論聯(lián)系實際。本書修訂中，對直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)和交流變頻調(diào)速系統(tǒng)進行了較大幅度的更新，使其更加符合科技發(fā)展與工程實際。本書可作為普通本科、應(yīng)用型本科、高職高專自動化類專業(yè)、電氣類專業(yè)、機電一體化專業(yè)教材。本書可作為一門課程開設(shè)，也可分作為《自動控制原理》和《自動控制系統(tǒng)》兩門課程開設(shè)。書中各種控制系統(tǒng)的實例及仿真分析可用于對學生相關(guān)實踐環(huán)節(jié)的指導。本書也可供從事電氣自動化的工程技術(shù)人員參考。本書先后獲得第二屆全國高校機電類教材一等獎、機械工業(yè)部科技進步三等獎、普通高等教育“十一五”規(guī)劃教材、2007年度普通高等教育國家精品教材。

本書是在保持《電氣自動控制原理與系統(tǒng) 第2版》特色的基礎(chǔ)上進行更新和修訂的。全書包括自動控制原理部分與自動控制系統(tǒng)部分。自動控制原理部分以工程預期模型和性能指標、頻率分析法分析、典型系統(tǒng)動靜態(tài)性能、工程校正方法為主線組織教材結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，直接使用開環(huán)頻率指標，應(yīng)用預期開環(huán)頻率特性校正自動控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)部分始終貫穿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部件、性能指標、系統(tǒng)參數(shù)確定與調(diào)試、實例和仿真分析主線，強化交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用。 本書第 一章～第五章為經(jīng)典的線性自動控制原理，第六章、第七章為直流相控調(diào)速系統(tǒng)和直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，第八章～第十章為異步電動機交流調(diào)速系統(tǒng)，第十一章為位置隨動控制系統(tǒng)。 本書充分體現(xiàn)“以能力培養(yǎng)為本，以應(yīng)用為核心”的原則，做到理論聯(lián)系實際，圖文并茂、應(yīng)用性強。 本書內(nèi)容可作為一門課程開設(shè)，也可分開作為“自動控制原理”和“自動控制系統(tǒng)”兩門課程開設(shè)，自動控制系統(tǒng)部分的內(nèi)容相對獨立，便于不同專業(yè)選用。書中各種控制系統(tǒng)的實例及仿真分析可用于對學生相關(guān)實踐環(huán)節(jié)的指導。

本書可作為應(yīng)用型本科、高職高專、自學考試和成人高等教育的自動化類專業(yè)、電氣類專業(yè)、機電一體化專業(yè)教材，也可供從事電氣自動化的工程技術(shù)人員參考。

第1章 緒論

1.1 開環(huán)控制和閉環(huán)控制

1.1.1 開環(huán)控制

1.1.2 閉環(huán)控制(反饋控制)

1.2 自動控制系統(tǒng)的組成及術(shù)語

1.3 自動控制系統(tǒng)的類型

1.3.1 按信號流向劃分

1.3.2 按系統(tǒng)輸入信號劃分

1.3.3 線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)

1.3.4 定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)

1.3.5 連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)

1.3.6 單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng)

1.4 自動控制系統(tǒng)性能的基本要求

1.5 自動控制課程的主要任務(wù)

1.5.1 階躍函數(shù)

1.5.2 斜坡函數(shù)(等速度函數(shù))

1.5.3 拋物線函數(shù)(等加速度函數(shù))

1.5.4 脈沖函數(shù)

1.5.5 正弦函數(shù)

1.6 自動控制系統(tǒng)實例

1.6.1 造紙機分部傳動控制系統(tǒng)

1.6.2 谷物濕度控制系統(tǒng)

1.6.3 烘烤爐溫度控制系統(tǒng)

本章小結(jié)

本章典型題、考研題詳解及習題

第2章 線性系統(tǒng)的數(shù)學模型

2.1 線性系統(tǒng)的微分方程

2.2 微分方程的線性化

2.3 傳遞函數(shù)

2.3.1 傳遞函數(shù)的概念

2.3.2 傳遞函數(shù)的特點

2.3.3 典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

2.4 方框圖

2.4.1 方框圖概述

2.4.2 系統(tǒng)方框圖的構(gòu)成

2.4.3 環(huán)節(jié)間的連接

2.4.4 方框圖的變換和簡化

2.5 信號流圖

2.5.1 信號流圖的定義

2.5.2 系統(tǒng)的信號流圖

2.5.3 信號流圖的定義和術(shù)語

2.5.4 信號流圖的性質(zhì)及簡化

2.5.5 信號流圖的增益公式

2.6 MATLAB/Simulink中數(shù)學模型的表示

2.6.1 傳遞函數(shù)

2.6.2 傳遞函數(shù)的特征根及零、極點圖

2.6.3 控制系統(tǒng)的方框圖模型

2.6.4 控制系統(tǒng)的零、極點模型

2.6.5 狀態(tài)空間表達式

本章小結(jié)

本章典型題、考研題詳解及習題

第3章 控制系統(tǒng)的時域分析

3.1 線性定常系統(tǒng)的時域響應(yīng)

3.2 控制系統(tǒng)時域響應(yīng)的性能指標

3.2.1 穩(wěn)態(tài)性能指標

3.2.2 動態(tài)性能指標

3.3 線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性

3.3.1 穩(wěn)定性的概念

3.3.2 線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件

3.3.3 勞斯判據(jù)(Routh判據(jù))

3.3.4 赫爾維茨判據(jù)(Hurwitz判據(jù))

3.3.5 系統(tǒng)參數(shù)對穩(wěn)定性的影響

3.3.6 相對穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕量

3.4 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差

3.4.1 誤差及穩(wěn)態(tài)誤差的定義

3.4.2 穩(wěn)態(tài)誤差分析

3.4.3 穩(wěn)態(tài)誤差的計算

3.4.4 應(yīng)用靜態(tài)誤差系數(shù)計算給定信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差

3.4.5 擾動信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系

3.4.6 改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的途徑

3.4.7 系統(tǒng)的動態(tài)誤差系數(shù)

3.5 一階系統(tǒng)的時域響應(yīng)

3.5.1 數(shù)學模型

3.5.2 單位階躍響應(yīng)

3.5.3 性能指標

3.5.4 一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)

3.6 二階系統(tǒng)的時域響應(yīng)

3.6.1 二階系統(tǒng)的數(shù)學模型

3.6.2 二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)

3.6.3 二階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)

3.7 高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)

3.7.1 高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)

3.7.2 高階系統(tǒng)的降階

3.7.3 零、極點對階躍響應(yīng)的影響

3.8 用MATLAB/Simulink進行瞬態(tài)響應(yīng)分析

3.8.1 單位脈沖響應(yīng)

3.8.2 單位階躍響應(yīng)

3.8.3 斜坡響應(yīng)

3.8.4 任意函數(shù)作用下系統(tǒng)的響應(yīng)

3.8.5 由系統(tǒng)傳遞函數(shù)求系統(tǒng)的響應(yīng)

3.8.6 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的性能指標

3.8.7 Simulink建模與仿真

本章小結(jié)

本章典型題、考研題詳解及習題

第4章 根軌跡法

4.1 根軌跡的基本概念

4.1.1 根軌跡

4.1.2 根軌跡的基本條件

4.2 繪制根軌跡的基本規(guī)則

4.3 根軌跡繪制舉例

4.4 廣義根軌跡

4.4.1 參數(shù)根軌跡

4.4.2 多參數(shù)根軌跡簇

4.4.3 正反饋系統(tǒng)的根軌跡(零度根軌跡)

4.5 根軌跡分析系統(tǒng)的性能

4.5.1 根軌跡確定系統(tǒng)的閉環(huán)極點

4.5.2 根軌跡分析系統(tǒng)的動態(tài)特性

4.5.3 開環(huán)零點對根軌跡的影響

4.5.4 開環(huán)極點對根軌跡的影響

4.6 MATLAB繪制系統(tǒng)的根軌跡

本章小結(jié)

本章典型題、考研題詳解及習題

第5章 控制系統(tǒng)的頻域分析

5.1 頻率特性

5.1.1 頻率特性概述

5.1.2 頻率特性的求取

5.1.3 頻域性能指標

5.2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性

5.2.1 概述

5.2.2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性

5.3 系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性

5.3.1 系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性

5.3.2 系統(tǒng)開環(huán)極坐標圖(奈氏圖)

5.3.3 最小相位和非最小相位系統(tǒng)

5.4 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)

5.4.1 映射定理

5.4.2 Nyquist軌跡及其映射

5.4.3 Nyquist穩(wěn)定判據(jù)一

5.4.4 Nyquist穩(wěn)定判據(jù)二

5.4.5 Nyquist對數(shù)穩(wěn)定判據(jù)

5.5 控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性

5.5.1 增益裕量

5.5.2 相角裕量

5.5.3 用幅相頻率特性曲線分析系統(tǒng)穩(wěn)定性

5.6 閉環(huán)系統(tǒng)的頻率特性

5.6.1 等M圓(等幅值軌跡)

5.6.2 等N圓(等相角軌跡)

5.6.3 利用等M圓和等N圓求單位反饋系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性

5.6.4 非單位反饋系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性

5.7 用頻率特性分析系統(tǒng)品質(zhì)

5.7.1 閉環(huán)頻域性能指標與時域性能指標的關(guān)系

5.7.2 開環(huán)頻率特性與時域響應(yīng)的關(guān)系

5.8 MATLAB頻域特性分析

5.8.1 Bode圖

5.8.2 Nyquist圖

5.8.3 Nichols圖

本章小結(jié)

本章典型題、考研題詳解及習題

第6章 控制系統(tǒng)的設(shè)計與校正

6.1 概述

6.1.1 系統(tǒng)的性能指標

6.1.2 系統(tǒng)的校正

6.2 線性系統(tǒng)的基本控制規(guī)律

6.2.1 比例(P)控制作用

6.2.2 比例微分(PD)控制作用

6.2.3 積分(I)控制作用

6.2.4 比例積分微分(PID)控制作用

6.3 校正裝置及其特性

6.3.1 無源超前校正裝置

6.3.2 無源滯后校正裝置

6.3.3 無源滯后超前校正裝置

6.4 頻率法進行串聯(lián)校正

6.4.1 頻率法的串聯(lián)超前校正

6.4.2 頻率法的串聯(lián)滯后校正

6.4.3 頻率法的串聯(lián)滯后超前校正

6.4.4 按期望特性對系統(tǒng)進行串聯(lián)校正

6.5 反饋校正

6.5.1 比例負反饋校正

6.5.2 微分負反饋校正

6.5.3 反饋校正的設(shè)計

6.6 復合校正

6.6.1 反饋控制與前饋校正的復合控制

6.6.2 反饋控制與擾動補償校正的復合控制

6.7 基于MATLAB和Simulink的線性控制系統(tǒng)設(shè)計

6.7.1 相位超前校正

6.7.2 相位滯后校正

6.7.3 Simulink下的系統(tǒng)設(shè)計和校正

本章小結(jié)

本章典型題、考研題詳解及習題

第7章 非線性系統(tǒng)分析

7.1 非線性系統(tǒng)概述

7.1.1 非線性系統(tǒng)的特點

7.1.2 非線性系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法

7.2 典型非線性特性

7.3 相平面分析法

7.3.1 相平面的基本概念

7.3.2 線性系統(tǒng)的相軌跡

7.3.3 二階非線性系統(tǒng)的線性化

7.3.4 相軌跡圖的繪制

7.3.5 由相軌跡圖求時間

7.3.6 非線性系統(tǒng)的相平面分析

7.4 描述函數(shù)法

7.4.1 描述函數(shù)的定義

7.4.2 典型非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)

7.4.3 非線性系統(tǒng)的簡化

7.4.4 描述函數(shù)分析法

7.5 基于Simulink的非線性系統(tǒng)分析

7.5.1 非線性系統(tǒng)的特點

7.5.2 非線性系統(tǒng)的響應(yīng)

7.5.3 非線性系統(tǒng)的相軌跡

本章小結(jié)

本章典型題、考研題詳解及習題

第8章 采樣控制系統(tǒng)

8.1 概述

8.2 采樣過程與采樣定理

8.3 采樣信號保持器

8.3.1 零階保持器

8.3.2 一階保持器

8.4 Z變換

8.4.1 Z變換定義

8.4.2 Z變換方法

8.4.3 Z變換性質(zhì)

8.4.4 Z反變換

8.5 采樣系統(tǒng)的數(shù)學模型

8.5.1 線性定常差分方程

8.5.2 差分方程求解

8.5.3 脈沖傳遞函數(shù)(Z傳遞函數(shù))

8.6 采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

8.6.1 采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定條件

8.6.2 勞斯穩(wěn)定判據(jù)

8.6.3 朱利穩(wěn)定判據(jù)

8.6.4 采樣周期與開環(huán)增益對穩(wěn)定性的影響

8.7 采樣系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差

8.7.1 單位階躍輸入時的穩(wěn)態(tài)誤差

8.7.2 單位斜坡輸入時的穩(wěn)態(tài)誤差

8.7.3 單位加速度輸入時的穩(wěn)態(tài)誤差

8.8 采樣系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)與脈沖傳遞函數(shù)零、極點分布的關(guān)系

8.9 采樣系統(tǒng)的校正

8.9.1 數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)

8.9.2 最少拍系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)

8.9.3 求取數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)

8.9.4 關(guān)于閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)Φ(z)或Φe(z)的討論

8.10 MATLAB在采樣系統(tǒng)中的應(yīng)用

8.10.1 連續(xù)系統(tǒng)的離散化

8.10.2 求采樣系統(tǒng)的響應(yīng)

8.10.3 采樣系統(tǒng)的最少拍設(shè)計

本章小結(jié)

本章典型題、考研題詳解及習題

附錄A 常用函數(shù)的拉普拉斯變換表

附錄B 常用函數(shù)的Z變換表

參考文獻2100433B

《“十二五”普通高等教育本科***規(guī)則規(guī)劃教材：自動控制原理基礎(chǔ)教程（第3版）》簡明扼要地闡述了自動控制的基本理論與應(yīng)用。全書共分九章：前八章著重介紹經(jīng)典控制理論及應(yīng)用的主要方面，*后一章介紹現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)空間分析及綜合法。