了得網工業技術_自動控制繫統（第3版）

內容簡介

本書主要講述自動控制原理及其應用，並繫統介紹自動控制繫統的基本概念、基本理論、分析與設計方法。全書共9章，第1章為緒論，第2章為控制繫統的數學模型，第3章為控制繫統時域分析，第4章為根軌跡技術，第5章為線性定常繫統的頻域分析法，第6章為控制繫統的校正設計，第7章為狀態變量繫統分析與設計，第8章為數字控制繫統，第9章為自動控制繫統設計實例。本書以培養應用型、研究型人纔為主線，通過新穎且充滿挑戰性的問題，讓學生在尋找問題答案的過程中，充分體會發現的樂趣。本書強調以人為本的思想，每章介紹一位與信息自動化學科有關的國際知名學者，同時介紹信息學科某個專業的主要內容和就業方向，正確引導學生了解信息學科各專業的培養目標及相互聯繫。本書可作為高等學校自動化類、電氣工程類、電子信息類專業的教材，也可作為人工智能、機械、化工、航空航天等相關專業的教材，還可作為相關工程技術人員的參考書。

作者簡介

閔虎，男，中山大學數據科院與計算機學院教授，廣東省自動化學會常務理事，廣東省電子信息工程人纔培養教學團隊負責人，應用型IT卓越工程師人纔培養模式創新實驗區負責人。

目錄

第1章緒論001
1.1 引言002
1.2 自動控制的定義和歷史回顧002
1.3 自動控制繫統舉例及術語定義004
1.3.1 液位控制繫統004
1.3.2 溫度控制繫統005
1.3.3 自動控制繫統術語定義005
1.4 自動控制繫統的基本控制方式006
1.4.1 開環控制006
1.4.2 閉環控制007
1.4.3 復合控制007
1.5 自動控制繫統的分類008目錄

第1章緒論001

1.1 引言002

1.2 自動控制的定義和歷史回顧002

1.3 自動控制繫統舉例及術語定義004

1.3.1 液位控制繫統004

1.3.2 溫度控制繫統005

1.3.3 自動控制繫統術語定義005

1.4 自動控制繫統的基本控制方式006

1.4.1 開環控制006

1.4.2 閉環控制007

1.4.3 復合控制007

1.5 自動控制繫統的分類008

1.6 自動控制繫統的基本要求010

1.7 自動控制繫統課程的性質和內容010

小結011

關鍵術語和概念011

拓展您的事業——電子學012

習題1012

第2章控制繫統的數學模型015

2.1 引言016

2.2 控制繫統的時域數學模型016

2.2.1 微分方程與狀態變量數學模型016

2.2.2 線性定常微分方程的解023

2.2.3 非線性繫統的線性化023

2.2.4 運動的模態026

2.3 控制繫統的復數域數學模型027

2.3.1 傳遞函數的定義和性質027

2.3.2 傳遞函數的零點和極點028

2.3.3 傳遞函數用於分析控制繫統的性能028

2.3.4 傳遞函數數學模型建立舉例030

2.4 控制繫統的方框圖與信號流圖032

2.4.1 控制繫統的方框圖032

2.4.2 方框圖的等效變換和簡化035

2.4.3 信號流圖037

2.4.4 多輸入繫統的傳遞函數039

2.5 輸入/輸出數學模型與狀態變量數學模型之間的關繫040

2.5.1 由輸入/輸出數學模型轉換為狀態變量數學模型040

2.5.2 由狀態變量數學模型轉換為輸入/輸出數學模型045

2.5.3 線性定常繫統在坐標變換下的特性045

2.6 數學模型的實驗測定法048

2.6.1 數學模型實驗測定的主要方法048

2.6.2 數學模型的工程辨識049

2.7 MATLAB軟件用於控制繫統數學模型建立與仿真049

小結053

關鍵術語和概念054

拓展您的事業——電氣工程學科054

習題 2055

第3章控制繫統時域分析058

3.1 引言059

3.1.1 典型輸入信號059

3.1.2 時域性能指標060

3.2 幾種控制繫統的時域分析061

3.2.1 一階繫統的時域分析061

3.2.2 典型二階繫統的時域分析063

3.2.3 高階繫統的時域分析072

3.2.4 MATLAB軟件分析控制繫統時域響應074

3.3 線性定常繫統的穩定性分析078

3.3.1 穩定性的定義及線性定常繫統穩定的充分必要條件078

3.3.2 勞斯-赫爾維茨判據081

3.3.3 勞斯-赫爾維茨判據的應用084

3.4 控制繫統的穩態誤差分析085

3.4.1 誤差定義及穩態誤差085

3.4.2 穩態誤差的計算086

3.4.3 擾動作用下的穩態誤差090

3.4.4 減小或消除穩態誤差的措施093

小結095

關鍵術語和概念096

拓展您的事業——自動化學科097

習題3097

第4章根軌跡技術103

4.1 引言104

4.1.1 根軌跡的基本概念104

4.1.2 根軌跡方程105

4.2 根軌跡繪制的基本法則106

4.3 廣義根軌跡119

4.3.1 參數根軌跡120

4.3.2 正反饋繫統或非最小相位繫統的根軌跡124

4.4 時滯繫統的根軌跡126

4.5 根軌跡法在控制繫統中的應用130

小結133

關鍵術語和概念134

拓展您的事業——計算機學科134

習題4135

第5章線性定常繫統的頻域分析法139

5.1 引言140

5.1.1 頻率特性的基本概念與定義140

5.1.2 頻率特性的幾何表示法142

5.2 典型環節頻率特性曲線的繪制144

5.3 繫統的開環頻率特性151

5.3.1 開環奈奎斯特圖的繪制151

5.3.2 開環伯德圖的繪制155

5.3.3 傳遞函數的頻域實驗確定159

5.4 線性定常繫統頻域穩定判據161

5.4.1 奈奎斯特穩定判據的數學基礎161

5.4.2 奈奎斯特穩定判據162

5.4.3 對數頻率穩定判據169

5.5 穩定裕度172

5.6 閉環繫統的頻率響應177

5.6.1 閉環繫統的頻域性能指標178

5.6.2 典型二階繫統的頻域性能指標179

5.6.3 確定閉環頻率特性的圖解法：尼科爾斯圖法180

5.6.4 頻域性能指標和時域性能指標的轉換185

5.7 MATLAB軟件在繫統頻域分析中的應用188

小結190

關鍵術語和概念191

拓展您的事業——通信繫統學科192

習題5192

第6章控制繫統的校正設計195

6.1 引言196

6.1.1 控制繫統的分析與設計196

6.1.2 不同校正方法的性能指標197

6.1.3 基本校正方式198

6.2 控制器的基本控制規律199

6.2.1 比例控制規律199

6.2.2 積分控制規律200

6.2.3 比例積分控制規律202

6.2.4 比例微分控制規律203

6.2.5 比例積分微分控制規律204

6.2.6 局部速度反饋控制規律205

6.3 常用的校正裝置及其特性206

6.3.1 無源校正網絡207

6.3.2 自動化儀表中的PID控制器209

6.4 根軌跡法在控制繫統校正設計中的應用210

6.4.1 超前串級校正210

6.4.2 滯後串級校正215

6.4.3 串級PID校正217

6.4.4 局部反饋校正218

6.5 伯德圖頻域法在控制繫統校正設計中的應用226

6.5.1 超前串級校正226

6.5.2 滯後串級校正230

6.5.3 滯後超前校正233

6.5.4 串級校正的預期開環頻率特性設計235

6.6 工業過程控制中PID控制器參數的工程整定240

6.6.1 飛升曲線法241

6.6.2 臨界比例度法242

6.7 復合校正控制繫統設計244

6.7.1 按擾動補償的復合控制244

6.7.2 按輸入補償的復合控制245

6.8 實用的PID控制器結構與健壯控制問題247

6.8.1 理想的PID控制器247

6.8.2 實用的PID控制器248

6.8.3 二自由度比例積分微分控制問題249

6.8.4 健壯控制繫統的設計251

6.9 MATLAB軟件在控制繫統設計中的應用261

6.9.1 用MATLAB軟件與頻域法設計控制繫統261

6.9.2 用MATLAB軟件與根軌跡法設計控制繫統263

小結268

關鍵術語和概念268

拓展您的事業——電子儀器學科269

習題6269

第7章狀態變量繫統分析與設計273

7.1 引言274

7.2 線性定常繫統的時域響應274

7.2.1 線性定常繫統齊次狀態方程的解與狀態轉移矩陣274

7.2.2 狀態轉移矩陣的性質和意義276

7.2.3 線性定常繫統非齊次狀態方程的解277

7.3 連續繫統的李雅普諾夫穩定性分析281

7.3.1 李雅普諾夫穩定性概念281

7.3.2 李雅普諾夫穩定性理論283

7.3.3 線性定常繫統的李雅普諾夫穩定性分析289

7.3.4 非線性繫統的李雅普諾夫穩定性分析——克拉索夫斯基法290

7.3.5 李雅普諾夫第二法的其他應用293

7.4 控制繫統的可控性和可觀測性296

7.4.1 可控性和可觀測性的定義297

7.4.2 線性定常繫統的可控性判據298

7.4.3 線性定常連續繫統的可觀測性判據303

7.4.4 線性繫統可控性與可觀測性的對偶關繫305

7.4.5 控制繫統的結構分解305

7.5 線性定常繫統的極點配置設計312

7.5.1 狀態反饋和輸出反饋的概念312

7.5.2 狀態變量閉環控制繫統的極點配置設計314

7.5.3 基於狀態觀測器的控制繫統設計329

小結335

關鍵術語和概念335

拓展您的事業——科學研究與信息工程教育事業336

習題 7337

第8章數字控制繫統340

8.1 引言341

8.1.1 采樣控制過程341

8.1.2 數字控制繫統的組成343

8.2 信號的采樣與保持343

8.2.1 采樣過程343

8.2.2 采樣過程的數學描述344

8.2.3 香農采樣定理346

8.2.4 采樣周期的選取346

8.2.5 信號保持347

8.3 Z變換理論349

8.3.1 Z變換的定義349

8.3.2 Z變換的方法349

8.3.3 Z變換的基本定理352

8.3.4 Z反變換354

8.4 離散繫統的數學模型356

8.4.1 線性定常離散繫統差分方程及其解法356

8.4.2 脈衝傳遞函數358

8.4.3 開環繫統脈衝傳遞函數359

8.4.4 閉環繫統脈衝傳遞函數361

8.5 線性定常離散繫統的穩定性363

8.5.1 線性定常離散繫統穩定的充要條件363

8.5.2 線性定常離散繫統的穩定性判據365

8.6 離散繫統的穩態誤差366

8.7 離散繫統的動態性能分析367

8.8 數字控制器的設計370

8.8.1 模擬化設計方法370

8.8.2 數字化設計方法371

8.9 MATLAB在數字控制繫統中的應用374

8.9.1 用MATLAB軟件實現Z變換和Z反變換374

8.9.2 連續繫統模型與離散繫統模型的轉換377

8.9.3 基於MATLAB軟件的線性定常數字控制繫統的穩定性分析378

8.9.4 基於MATLAB軟件的數字控制繫統的時域分析380

小結385

關鍵術語和概念386

拓展您的事業——軟件工程學科386

習題8387

第9章自動控制繫統設計實例390

9.1 引言391

9.2 溫度控制器的設計與實現391

9.2.1 溫度控制繫統分析391

9.2.2 溫度控制繫統硬件設計395

9.2.3 溫度控制繫統性能測試398

9.3 倒立擺控制繫統設計與實現401

9.3.1 倒立擺控制繫統數學模型的建立402

9.3.2 倒立擺控制繫統硬件設計405

9.3.3 倒立擺控制繫統算法仿真409

9.3.4 倒立擺控制繫統實現418

小結420

關鍵術語和概念420

拓展您的事業——航空航天技術421

附錄A 拉普拉斯變換422

附錄B 李雅普諾夫主穩定性定理的證明431

附錄C 常用Z變換表434

參考文獻435

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