自动控制原理与系统

内容简介

全书主要内容包括：自动控制系统的基本概念、的工具软件MATLAB的界面及基本操作；控制系统数学模型的建立以及用MATLAB解决数学建模问题；线性控制系统的时域分析法与频域分析法及系统的校正方法等基本控制理论；用MATLAB工具解决二种分析法的计算、绘图、分析等问题；步进调速、直流调速系统晶闸管BJT单环、双环控制系统的构成及系统性能的分析；用MATLAB控制系统计算机辅助分析和设计仿真单、双环控制系统的实例；直流脉宽调制（PWM）调速系统与交流调压调速系统的组成及系统分析。

目录

目 录
第1章 自动控制系统的基本概念 1
1.1 概述 1
1.2 自动控制的基本方式 1
1.2.1 开环控制系统 2
1.2.2 闭环控制系统 3
1.2.3 控制系统的基本组成 6
1.3 自动控制系统的类型 8
1.3.1 线性系统和非线性系统 8
1.3.2 连续系统和离散系统 8
1.3.3 恒值系统、程序控制系统和随动控制系统 8
1.3.4 对控制系统的基本要求 9
1.4 本课程的基本任务、特点及学习方法 10
习题1 10
第2章 控制系统的数学模型 13
2.1 控制工程数学基础 13
2.1.1 拉普拉斯变换的定义 13
2.1.2 典型试验函数的拉普拉斯变换 13
2.1.3 拉普拉斯变换的性质 16
2.1.4 拉普拉斯反变换 17
2.2 控制系统数学模型的建立 19
2.2.1 元件和系统微分方程式的建立 20
2.2.2 传递函数 24
2.2.3 系统结构图 26
2.2.4 典型环节的传递函数 28
2.3 结构图等效变换和系统传递函数 35
2.3.1 典型连接的等效传递函数 35
2.3.2 用梅逊公式求传递函数 40
2.3.3 系统传递函数 43
2.4 设计实例：低通滤波器设计 45
小结 46
习题2 47
第3章 控制系统时域分析 52
3.1 时域性能指标 52
3.2 一阶系统的瞬态响应 53
3.3 二阶系统的阶跃响应 55
3.3.1 二阶系统的单位阶跃响应 57
3.3.2 二阶系统的瞬态响应性能指标 60
3.4 代数稳定判据 63
3.5 稳态误差 67
3.5.1 稳态误差及误差系数 67
3.5.2 扰动稳态误差 72
3.5.3 减小稳态误差的方法 73
3.6 设计实例：望远镜指向控制系统的设计 76
小结 78
习题3 79
第4章 频域分析法 83
4.1 频率特性的基本概念与表示方法 83
4.1.1 频率特性的基本概念 83
4.1.2 频率特性的表示方法 86
4.2 典型环节的频率特性 88
4.3 开环系统频率特性的绘制 97
4.3.1 系统的开环幅相频率特性 97
4.3.2 系统的开环对数频率特性 101
4.4 用频率法分析控制系统的稳定性 105
4.4.1 用开环幅相频率特性判断闭环系统的稳定性 105
4.4.2 用开环对数频率特性判断闭环系统稳定性 109
4.4.3 系统的稳定裕量 110
4.5 开环系统频率特性和时域特性的关系 114
4.5.1 开环对数频率特性低频段与稳态误差 114
4.5.2 开环对数频率特性中频段与时域瞬态特性 116
4.5.3 闭环系统频率特性与时域性能的关系 121
4.6 设计实例：雕刻机位置控制系统 123
小结 124
习题4 125
第5章 自动控制系统的校正 129
5.1 校正装置 129
5.1.1 无源校正装置 129
5.1.2 有源校正装置 130
5.2 PID控制规律 132
5.3 串联校正（频率法） 136
5.3.1 串联超前校正 136
5.3.2 串联滞后校正 140
5.3.3 串联滞后-超前校正 144
5.4 反馈校正 147
5.5 顺馈补偿举例 152
小结 153
习题5 154
第6章 步进电动机控制系统 156
6.1 环形分配器 157
6.1.1 硬件环形分配器 157
6.1.2 软件环形分配器 160
6.2 步进电动机控制系统 161
6.2.1 步进电动机驱动电源的功率放大电路 161
6.2.2 步进电动机控制系统组成 165
6.3 步进电动机控制系统的应用 166
6.3.1 步进电动机控制系统的应用 166
6.3.2 步进电动机控制系统使用中的常见问题 168
小结 172
习题6 172
第7章 直流调速控制系统 173
7.1 转速负反馈晶闸管直流调速系统 173
7.1.1 系统的组成 173
7.1.2 系统的框图 176
7.1.3 系统的自动调节过程 177
7.1.4 系统的性能分析 178
7.2 小功率有静差直流调速系统实例分

摘要与插图

第1章  自动控制系统的基本概念
　　内容提要：
　　本章通过开环与闭环控制具体实例，讲述自动控制系统的基本概念（如被控制对象、输入量、输出量、扰动量、开环控制系统、闭环控制系统及反馈的概念）、反馈控制任务、控制系统的组成及原理框图的绘制、控制系统的基本分类、对控制系统的基本要求。
　　1．1  概述
　　在科学技术飞速发展的今天，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（机器设备或生产过程）的某个参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。例如，数控车床按照预定程序自动地切削工件，化学反应炉的温度或压力自动地维挣恒定，人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收，宇宙飞船能够准确地在月球着陆并返回地面等，都是以应用高水平的自动控制技术为前提的。自动控制理论是控制工程的理论基础，是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论按其发展过程分成经典控制理论和现代控制理论两大部分。
　　经典控制理论在20世纪50年代末已形成比较完整的体系，它主要以传递函数为基础，研究单输入、单输出反馈控制系统的分析和设计问题，其基本内容有时域法、频域法、根轨迹法等。
　　现代控制理论是20世纪60年代在经典控制理论的基础上，随着科学技术的发展和工程实践的需要而迅速发展起来的，它以状态空间法为基础，研究多变量、变参数、非线性、高精度等各种复杂控制系统的分析和综合问题，其基本内容有线性系统基本理论、系统辨识、控制等。近年来，由于计算机和现代应用数学研究的迅速发展，使控制理论继续向纵深方向发展。目前，自动控制理论正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。
　　1．2  自动控制的基本方式
　　在工业生产过程中，为了提高产品质量和劳动生产率，对生产设备、机器和生产过程需要进行控制，使之按预定的要求运行。例如，为了使发电机能正常供电，就必须使输出电压保持不变，尽量使输出电压不受负荷的变化和原动机转速波动的影响；为了使数控机床能加工出合格的零件，就必须保证数控机床的工作台或者架的位移量准确地跟随进给指令进给；为了使加热炉能保证生产出合格的产品，就必须对炉温进行严格的控制。其中，发电机、机床、加热炉是工作的机器装备；电压、架位移量、炉温是表征这些机器装备工作状态的物理参量；额定电压、进给的指令、规定的炉温是在运行过程中对工作状态物理参量的要求。
　　被控制对象或对象：将这些需要控制的工作机器装备称为被控制对象或对象，如发电机、机床。
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