本書是為適應(yīng)人才培養(yǎng)的新需求,為自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化,以及其他相關(guān)專業(yè)本科生編寫的教材。本書以加強(qiáng)基礎(chǔ)、突出解決工程問題的思維方法,同時(shí)又以避繁就簡、深入淺出為原則,系統(tǒng)地介紹了自動(dòng)控制的基本原理、典型方法及應(yīng)用實(shí)例。本書主要內(nèi)容包括控制系統(tǒng)在時(shí)間域、復(fù)數(shù)域和頻率域的數(shù)學(xué)模型,線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法、根軌跡分析法、頻域分析法,線性系統(tǒng)的經(jīng)典校正方法以及非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)與相平面分析方法。本書部分章節(jié)有機(jī)地融合了MATLAB的應(yīng)用,便于讀者利用MATLAB軟件對控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和仿真分析,以加深對概念和方法的理解。
本書可作為高等院校自動(dòng)化類、電氣類與能源類等相關(guān)專業(yè)的教材,也可供相關(guān)工程技術(shù)人員參考和作為報(bào)考自動(dòng)化類專業(yè)研究生的復(fù)習(xí)資料。
本書配有電子課件和習(xí)題答案,歡迎選用本書作教材的教師登錄www.cmpedu.com注冊下載,或發(fā)郵件至jinacmp@163.com索取。
本書以加強(qiáng)基礎(chǔ)、突出解決工程問題的思維方法,同時(shí)又以避繁就簡、深入淺出為原則,系統(tǒng)地介紹了自動(dòng)控制的基本原理、典型方法及應(yīng)用實(shí)例。
“自動(dòng)控制原理”是控制科學(xué)與工程學(xué)科的基礎(chǔ)理論,自動(dòng)控制的基本思想是使機(jī)器或設(shè)備具有類似人的功能與智能, 即不需要人類的干預(yù)就能自動(dòng)完成指定的任務(wù), 機(jī)器人就是最典型的實(shí)例之一。當(dāng)今迅猛發(fā)展的人工智能技術(shù)將逐漸與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)深度融合,以自動(dòng)控制為核心的自動(dòng)化技術(shù)是人工智能與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之間的橋梁。新技術(shù)的發(fā)展也將給自動(dòng)控制原理這門傳統(tǒng)課程帶來新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
“自動(dòng)控制原理”是自動(dòng)化類、電氣類專業(yè)的重要課程之一,它面向控制對象,注重理論和實(shí)踐相結(jié)合,主要研究自動(dòng)控制系統(tǒng)中的基本理論及分析和設(shè)計(jì)方法。該課程涉及知識面廣,且內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng),具有一定的學(xué)習(xí)難度和教學(xué)難度!白詣(dòng)控制原理”課程以負(fù)反饋控制為主要內(nèi)容,“利用誤差消除誤差”的核心思想,通過建立數(shù)學(xué)模型將定性的物理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為定量的數(shù)學(xué)分析的思維及方法,具有普遍的科學(xué)意義。
近年來,中國礦業(yè)大學(xué)控制理論課程組結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和科研實(shí)踐對課程改革做出了諸多努力。在2016版培養(yǎng)方案中,將原現(xiàn)代控制理論課程中的“非線性控制系統(tǒng)分析”部分移至自動(dòng)控制原理(經(jīng)典控制)課程中,F(xiàn)代控制理論由原來的48學(xué)時(shí)(含8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn))減為32學(xué)時(shí)(含4學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)),自動(dòng)控制原理在增加內(nèi)容的情況下保持64學(xué)時(shí)(含8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn))不變。在2020版培養(yǎng)方案中,進(jìn)一步加大了改革的力度。自動(dòng)控制原理課程調(diào)整為48學(xué)時(shí),另外增加12學(xué)時(shí)的線上自學(xué)環(huán)節(jié);將自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)整合,單獨(dú)開設(shè)24學(xué)時(shí)的控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)課程;形成線上線下相結(jié)合、理論與實(shí)踐相融合的混合式教學(xué)模式。為適應(yīng)課程建設(shè)的新需求,作者重新編寫了自動(dòng)控制原理教材,內(nèi)容深入淺出,突出工程實(shí)踐背景,有機(jī)地融合了MATLAB軟件的使用。本書立足經(jīng)典控制的基礎(chǔ)理論和概念,注重知識的完整性和系統(tǒng)性,對易混淆的知識點(diǎn)做了強(qiáng)化講解,細(xì)化了例題的解題步驟,使其更適合讀者自學(xué),利于混合式教學(xué)的開展。本書不僅適用于自動(dòng)化類、電氣類專業(yè)本科課程,還可用于機(jī)械、能源、化工等專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué),學(xué)時(shí)數(shù)根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)可以在32~64學(xué)時(shí)之間進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
本書以“三縱三橫”為主線,“三縱”指時(shí)間域、復(fù)數(shù)域和頻率域中的模型與分析方法,“三橫”指控制系統(tǒng)三個(gè)方面的性能:穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。第1章重點(diǎn)講述了反饋控制的工作原理,控制系統(tǒng)的分類和基本要求,并簡要介紹了自動(dòng)控制的發(fā)展歷程;第2章給出了線性系統(tǒng)的時(shí)間域和復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型,其中,第2.1節(jié)拉普拉斯變換及其應(yīng)用可以根據(jù)情況選學(xué)或自學(xué),第2.5節(jié)僅給出了信號流圖的一般概念,略去了具體的繪制方法,重點(diǎn)在于掌握梅森增益公式的使用;第3章在時(shí)間域里對線性系統(tǒng)進(jìn)行性能分析,動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算重點(diǎn)針對欠阻尼典型二階系統(tǒng),穩(wěn)定性判斷介紹了最常用的勞斯判據(jù),在穩(wěn)態(tài)性能分析里討論了誤差的實(shí)際物理意義,強(qiáng)調(diào)了在計(jì)算穩(wěn)態(tài)性能之前要先判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性;第4章在復(fù)數(shù)域里利用根軌跡圖對線性系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì),根軌跡這部分內(nèi)容近年來在學(xué)界存在著比較大的分歧,本書弱化了根軌跡圖的手工繪制方法,重點(diǎn)在于借助根軌跡的分布理解開環(huán)零點(diǎn)、開環(huán)極點(diǎn)對系統(tǒng)性能的影響,其中,第4.5節(jié)借助MATLAB繪制的根軌跡圖,分析了PID控制器參數(shù)的確定方法;第5章給出了線性系統(tǒng)的頻率域數(shù)學(xué)模型,并利用奈奎斯特(Nyquist)圖和伯德(Bode)圖在頻率域里對系統(tǒng)進(jìn)行性能分析,奈奎斯特圖主要用來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在頻率域里通常利用伯德圖對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),其中,第5.7節(jié)結(jié)合伯德圖分析了頻域性能指標(biāo)與時(shí)域性能指標(biāo)之間的關(guān)系;第6章重點(diǎn)介紹了基于伯德圖的線性系統(tǒng)串聯(lián)校正方法;第7章簡要介紹了常見的非線性特性和最基本的非線性控制系統(tǒng)分析方法,死區(qū)、飽和、摩擦等非線性特性在實(shí)際控制系統(tǒng)中普遍存在,特殊情況下還可以人為增加非線性環(huán)節(jié)來改善系統(tǒng)的性能,因此學(xué)習(xí)非線性系統(tǒng)分析是非常必要的。
以學(xué)生的學(xué)習(xí)成效為目標(biāo),培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力和創(chuàng)新思維是當(dāng)前教學(xué)改革的主流趨勢。課程內(nèi)容要強(qiáng)調(diào)廣度和深度,教學(xué)內(nèi)容要體現(xiàn)前沿性和時(shí)代性。優(yōu)秀的教材是課程建設(shè)中最重要的環(huán)節(jié),作者結(jié)合本校學(xué)情做出了非常有意義的改革探索。教無止境,相信作者會(huì)在教學(xué)改革的道路上繼續(xù)深入下去,取得更加豐碩的成果。
教授哈爾濱工業(yè)大學(xué)
“自動(dòng)控制原理”是國內(nèi)外各高校自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。隨著第四次工業(yè)革命的興起,傳統(tǒng)制造工業(yè)正在升級改造向智能制造邁進(jìn),越來越多的知識型工作通過融入人工智能的自動(dòng)化系統(tǒng)來完成。新技術(shù)的發(fā)展給這門傳統(tǒng)的課程帶來了新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇,自動(dòng)控制理論和技術(shù)需要與計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、機(jī)器人工程等相集成與融合。
通過對知識體系的梳理,汲取國內(nèi)外同類教材的優(yōu)點(diǎn),結(jié)合教學(xué)中遇到的突出問題編寫了本書。本書以加強(qiáng)基礎(chǔ)、突出解決工程問題的思維方法,同時(shí)又以避繁就簡、深入淺出為原則,系統(tǒng)地介紹了經(jīng)典控制理論中的基本原理、數(shù)學(xué)建模、系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法。通過溫度控制、液位控制、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速、機(jī)器人控制等工程實(shí)例將抽象的理論知識形象化,突出教材的實(shí)用性。本書內(nèi)容力求與工程認(rèn)證和新制定的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng),注重對工程素養(yǎng)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。從自動(dòng)控制理論與技術(shù)的發(fā)展中提煉課程思政元素,將科學(xué)家精神、科學(xué)方法論等有機(jī)融入教學(xué)內(nèi)容。
全書共7章。第1章介紹自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念、分類以及控制理論的發(fā)展過程;第2章從實(shí)際物理系統(tǒng)入手,闡述控制系統(tǒng)的微分方程、傳遞函數(shù)、框圖及信號流圖等不同形式數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建方法;第3章在時(shí)間域里分析線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和穩(wěn)定性;第4章在復(fù)數(shù)域里利用根軌跡圖分析線性系統(tǒng)的性能,并進(jìn)行PID控制器設(shè)計(jì);第5章在頻率域里利用伯德(Bode)圖、奈奎斯特(Nyquist)圖對線性系統(tǒng)進(jìn)行性能分析;第6章主要介紹基于伯德圖的線性系統(tǒng)串聯(lián)校正方法;第7章討論了控制系統(tǒng)中的典型非線性特性,基于描述函數(shù)法和相平面法對非線性控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。為使讀者深入理解圖解法分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的原理,書中將手工繪圖與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件MATLAB繪圖進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合。
本書由王雪松教授、常俊林副教授、楊春雨教授編著,常俊林副教授負(fù)責(zé)第1~4章,王雪松教授負(fù)責(zé)第5、6章,楊春雨教授負(fù)責(zé)第7章。常俊林副教授承擔(dān)了全書的統(tǒng)稿工作。郭西進(jìn)教授、賈存良教授、程玉虎教授、陳穎副教授審閱了全書,并提出了寶貴意見。本書在編寫過程中得到了中國礦業(yè)大學(xué)馬小平教授、李明教授、鞏敦衛(wèi)教授、孫曉燕教授、繆燕子教授,哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬廣富教授、李傳江教授,北京航空航天大學(xué)胡慶雷教授,澳大利亞西澳大學(xué)Tyrone Fernando教授,機(jī)械工業(yè)出版社吉玲編輯的大力支持與幫助,在此表示衷心的感謝。
為方便教學(xué),本書配套的電子教案可免費(fèi)提供給采用本書作為教材的相關(guān)院校使用,如有需要,請發(fā)電子郵件至junlinchang@cumt.edu.cn。
由于編者水平有限,書中難免存在不足之處,懇請讀者提出寶貴意見,以便進(jìn)一步修訂和完善。
編者
高等院校教師
序
前言
第1章緒論
1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念
1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理
1.2.1開環(huán)控制系統(tǒng)
1.2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)
1.2.3復(fù)合控制系統(tǒng)
1.3控制系統(tǒng)舉例
1.3.1速度控制系統(tǒng)
1.3.2電熱爐溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
1.3.3汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)
1.3.4業(yè)務(wù)系統(tǒng)
1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類
1.5對控制系統(tǒng)的基本要求與典型輸入信號
1.5.1對自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求
1.5.2典型輸入信號
1.6自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡史
1.7本書的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)體系
本章小結(jié)
習(xí)題
第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
2.1數(shù)學(xué)基礎(chǔ)——拉普拉斯變換及其應(yīng)用
2.1.1拉普拉斯變換的定義
2.1.2拉普拉斯變換的積分下限
2.1.3幾個(gè)常用函數(shù)的拉普拉斯變換
2.1.4拉普拉斯變換的幾個(gè)重要定理
2.1.5拉普拉斯反變換
2.1.6用拉普拉斯變換求解微分方程
2.2控制系統(tǒng)微分方程的建立
2.2.1建立控制系統(tǒng)微分方程的一般方法
2.2.2線性系統(tǒng)的基本特性
2.2.3非線性數(shù)學(xué)模型的線性化
2.3傳遞函數(shù)
2.3.1傳遞函數(shù)的定義和主要性質(zhì)
2.3.2基本環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)
2.4控制系統(tǒng)的框圖及其等效變換
2.4.1控制系統(tǒng)框圖的組成
2.4.2系統(tǒng)框圖的等效變換和化簡
2.5信號流圖
2.5.1信號流圖的組成與性質(zhì)
2.5.2用梅森增益公式求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)
2.5.3閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)
本章小結(jié)
習(xí)題
第3章線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法
3.1線性系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)
3.1.1典型輸入信號
3.1.2時(shí)域性能指標(biāo)
3.2一階系統(tǒng)的時(shí)域分析
3.2.1一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
3.2.2一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
3.2.3一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)
3.2.4一階系統(tǒng)的單位速度響應(yīng)
3.2.5一階系統(tǒng)的單位加速度響應(yīng)
3.3二階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)分析
3.3.1二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
3.3.2二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
3.3.3欠阻尼二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)分析
3.3.4二階系統(tǒng)性能的改善
3.4高階系統(tǒng)的時(shí)域分析
3.4.1三階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
3.4.2高階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
3.5線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
3.5.1穩(wěn)定性的基本概念
3.5.2線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件
3.5.3代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)
3.6控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差
3.6.1誤差的定義
3.6.2給定輸入信號下的穩(wěn)態(tài)誤差
3.6.3系統(tǒng)的類型
3.6.4不同輸入信號下的穩(wěn)態(tài)誤差
3.6.5擾動(dòng)信號下的穩(wěn)態(tài)誤差
本章小結(jié)
習(xí)題
第4章線性系統(tǒng)的根軌跡法
4.1根軌跡的基本概念
4.1.1根軌跡的概念
4.1.2根軌跡方程及輻角、幅值條件
4.2繪制根軌跡的基本規(guī)則
4.3廣義根軌跡
4.3.1參數(shù)根軌跡
4.3.2零度根軌跡
4.4控制系統(tǒng)的根軌跡分析
4.4.1利用閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)估算系統(tǒng)的性能
4.4.2閉環(huán)偶極子對根軌跡的影響
4.4.3附加開環(huán)零點(diǎn)、極點(diǎn)的作用
4.4.4附加開環(huán)偶極子對根軌跡的影響
4.5基于根軌跡法的PID控制器設(shè)計(jì)
4.5.1PID控制器的基本結(jié)構(gòu)
4.5.2P(比例)控制
4.5.3PD(比例-微分)控制
4.5.4PI(比例-積分)控制
4.5.5PID(比例-積分-微分)控制
本章小結(jié)
習(xí)題
第5章線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法
5.1頻率特性
5.1.1頻率特性的基本概念
5.1.2頻率特性的圖形化表示
5.2典型環(huán)節(jié)的頻率特性
5.3典型環(huán)節(jié)的對數(shù)頻率特性
5.4系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的繪制
5.4.1最小相位系統(tǒng)與非最小相位系統(tǒng)
5.4.2系統(tǒng)開環(huán)幅相特性的繪制
5.4.3系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性的繪制
5.4.4由頻域?qū)嶒?yàn)確定系統(tǒng)傳遞函數(shù)
5.5基于頻率特性的穩(wěn)定性判據(jù)
5.5.1奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)
5.5.2奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)
5.5.3奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的應(yīng)用
5.6穩(wěn)定裕度
5.7頻域指標(biāo)與時(shí)域性能指標(biāo)的關(guān)系
5.7.1閉環(huán)頻率特性與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系
5.7.2開環(huán)頻率特性與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系
本章小結(jié)
習(xí)題
第6章線性系統(tǒng)的校正
6.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正問題
6.2串聯(lián)校正
6.2.1串聯(lián)超前校正
6.2.2串聯(lián)滯后校正
6.2.3串聯(lián)滯后—超前校正
6.3局部反饋校正與前饋補(bǔ)償
6.3.1局部反饋校正
6.3.2前饋補(bǔ)償
6.4PID控制器的頻域分析
6.4.1PD控制器
6.4.2PI控制器
6.4.3PID控制器
本章小結(jié)
習(xí)題
第7章非線性系統(tǒng)分析
7.1控制系統(tǒng)中的典型非線性特性
7.1.1典型非線性特性
7.1.2非線性系統(tǒng)的特點(diǎn)
7.2描述函數(shù)法
7.2.1描述函數(shù)的概念
7.2.2典型非線性特性的描述函數(shù)
7.2.3非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)分析法
7.3相平面法
7.3.1相平面的基本概念
7.3.2奇點(diǎn)和極限環(huán)
7.3.3相軌跡的繪制
7.4非線性系統(tǒng)的相平面分析法
7.5MATLAB在非線性控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻(xiàn)