自动控制原理(第3版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：刘文定,谢克明

出版社：电子工业出版社

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自动控制原理(第3版)试读：

第3版前言

2004年7月，初版教材出版发行，是为适应自动化学科的发展，扩宽专业面、优化整体教学体系的教学改革形势，按照“理论讲透，重在应用”的原则，总结了作者多年的教学经验和课程教学改革的成果，参考了国内外控制理论及应用发展的方向，经反复讨论编写而成。2009年1月，第2版出版发行，并入选普通高等教育“十一五”国家级规划教材，至今已重印多次。几年来，控制理论的教学在高等院校有了较大的发展，许多选用本教材的院校提出了一些宝贵的建议，为此，我们进行了第3版修订。

第3版教材仍分8章及3个附录。主要内容分为4大部分：第一部分包括基本概念，线性系统的数学模型，时域响应分析，根轨迹分析，频域特性分析，控制系统设计与校正，这些内容属于线性定常连续控制系统问题，阐明了自动控制的3个基本问题，即模型、分析和控制。第二部分阐述非线性系统的基本理论和分析方法，包括相平面法和描述函数法，目的是为学生进一步学习后续课程打下一定基础。第三部分有意加强了作为数字控制理论基础的采样控制系统的讨论，重点介绍了采样系统的数学模型、稳定性分析与采样系统的校正。第四部分为MATLAB软件实现控制系统的辅助分析和设计，以培养学生现代化的分析与设计能力，适应21世纪教学现代化的发展要求。包括MATLAB与Simulink应用基础知识和该软件支持下的控制系统的计算机辅助分析与设计，设置于附录A及各章的最后一节中。

与前两版相比，第3版的内容保留了第2版增补的内容并进行了优化：线性常微分方程求解，传递函数零点和极点对系统输出的影响，方框图利用梅森公式求传递函数，实验方法建立系统的数学模型；二阶系统的过阻尼动态分析，单位斜坡响应及非零初始条件下的输出响应分析，高阶系统的动态性能分析；根轨迹与系统性能、闭环零点、极点与开环零点、极点之间的关系，多变量根轨迹、零极点对根轨迹的影响，利用根轨迹分析系统性能；频率特性的图形、利用频率特性分析系统品质、MATLAB频域特性分析，频率法串联校正、复合校正实例；控制系统设计的MATLAB实现；非线性系统相平面图的解析绘制、由相轨迹求取时间、非线性系统的稳定性分析及非线性系统的简化；采样过程的数学描述、采样周期的选择等。

第3版修订的重点是习题和例题部分。强化了一般习题，增加了典型题详解和考研试题。所有章中的习题均改为A典型题详解、B考研试题和C习题，分章节详细给出。此外，在第3版修订中，对第2版中存在的不适之处进行了改正或优化。

第3版教材是面向应用型大学人才培养需要的一本教材，适用对象为工程应用型自动化专业的本科学生，也可供电气信息类其他专业的研究生以及工程技术人员使用。在编写过程中，作者充分注意到以下几点：（1）注重体系的基本结构，强调控制理论的基本概念、基本原理和基本方法，内容精炼，重点突出，不以细节为主。（2）以学生为本，加强能力培养，遵照认识规律，内容叙述力求深入浅出、层次分明；注意理论的完整性与工程实用性相结合，培养学生的工程意识。（3）引入了MATLAB软件实现控制系统的辅助分析和设计，以培养学生现代化的分析与设计能力，适应21世纪教学现代化的发展要求。（4）为了便于不同层次的学生和读者自学，各章都附有较丰富的有难度层次的典型例题和习题及习题详解，特别是为满足考研学生的需要，增加了考研试题。（5）为了拓宽学生的知识面，满足学生主动学习及激发学生求知兴趣，我们在电子课件中选入了一些来源于实际控制工程的案例，便于学生理解和消化控制知识。（6）给出本书主要专业术语的英语对照，以方便学生阅读相关的英文文献。

本书适用于64～80学时课内教学。本书由刘文定和谢克明主编。参加编写的有：谢克明（前言、第1章、附录A、B、C），谢刚（第2、3章），续欣莹（第4章），刘文定（第5、6、7章），刘洪锦（第8章）。全书由刘文定和谢克明统稿。

借此衷心感谢本书的主审李友善教授和责任编辑凌毅女士，同时对在本书编写过程中给予帮助的各位人员表示诚挚的谢意。

本书提供配套的电子课件，可登录电子工业出版社的华信教育资源网：www.hxedu.com.cn，注册后免费下载。

由于笔者水平有限，书中错误和不妥之处难免，恳请广大读者批评指正。

刘文定 谢克明

2013年1月

第1章 绪 论

内容提要：

自动控制理论是自动化学科的重要理论基础，专门研究有关自动控制系统中的基本概念、基本原理和基本方法。本章介绍开环控制和闭环控制、控制系统的基本原理和组成、控制系统的类型，以及对控制系统的基本要求。

知识要点：

开环控制，闭环控制，控制装置，被控对象，稳定性，稳态误差，动态特性。

教学建议：

本章的重点是开环控制与闭环控制的区别，以及闭环控制的基本原理和组成，要求学生掌握控制系统性能的基本要求，会分析控制系统实例。建议学时数为4学时。

自动控制作为一种重要的技术手段，在工程技术和科学研究中起着极为重要的作用。什么是控制?什么是自动控制?为说明这些概念，我们首先看看下面恒温箱控制实例。

在一些生产过程中，常常需要利用加热源来维持某一箱体的温度。这时，人们需要控制加热源，不断调节箱体内的温度。

如图1-1所示为恒温箱控制示意图。在控制过程中，人们要用测温元件（如热电偶）不断地测量箱体内的温度，并与要求温度比较，反映到大脑中，然后大脑根据温差的大小和方向，产生控制指令，加大或减小热源，以减小差异。人们通过连续不断的操作，使箱体温度维持在要求值附近。在控制过程中，各种职能相互联系，可用方框图1-2表示。图中箭头方向表示各部分的联系。图1-1 恒温箱控制示意图图1-2 人工控制职能图

通过研究上述人工控制恒温箱的过程可以看到，所谓控制就是使某个对象中物理量按照一定的目标来动作。本例中，对象指箱体，其中的物理量指箱体内温度，一定目标就是事先要求的温度期望值。

若温度控制要求精度高，那么由人来控制就很难满足要求，这时就需要用控制装置代替人，形成恒温箱自动控制系统，如图1-3所示。

该系统由测温元件（热电偶）、加热源（电阻丝）、信号放大变换装置、电机等构成。直流电机和减速器是执行机构，它的作用类似于人工控制中人的手。热电偶为测温装置，将箱体的实际温度测量出来，并将其传送给控制器，即电位器给出的给定信号与箱体的实际温度相比较的差异信号的大小及方向，经放大和变换产生直流电机的电枢电压去控制电机的转速和方向，再由传动装置去调节移动触头，以减小差异，直到偏差为零。根据上述分析，恒温箱自动控制的信号流动及相互关系如图1-4所示。图1-3 恒温箱自动控制系统示意图图1-4 恒温箱自动控制信号流程方框图

自动控制和人工控制的基本原理是相同的，它们都是建立在“测量偏差，修正偏差”的基础上，并且为了测量偏差，必须把系统的实际输出反馈到输入端。自动控制和人工控制的区别在于自动控制用控制器代替人完成控制。总之，所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象中某一物理量或数个物理量准确地按照预定的要求规律变化。

1.1 开环控制和闭环控制

开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统，即需要控制的是被控对象的某一量（被控量），而测量的只是给定信号，被控量对于控制作用没有任何影响的系统。结构图如图1-5所示。信号由给定值至被控量单向传递。这种控制较简单，但有较大的缺陷，即对象或控制装置受到干扰，或工作中特性参数发生变化，会直接影响被控量，而无法自动补偿。因此，系统的控制精度难以保证，系统的抗干扰能力较差。从另一种意义理解，意味着对被控对象和其他控制元件的技术要求较高。但其结构简单，成本低，在系统精度要求不高或扰动影响较小的情况下，具有一定的实用价值，如数控线切割机进给系统、包装机等多为开环控制。1.1.2 闭环控制（反馈控制）

闭环控制系统的定义是有被控量反馈的控制系统，其原理框图如图1-6所示。从系统中信号流向看，系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端，构成闭合通道，故称为闭环控制系统，或反馈控制系统。图1-5 开环控制系统结构框图图1-6 闭环控制系统原理框图

这种控制方式，无论是由于干扰造成，还是由于结构参数的变化引起被控量出现偏差，系统均利用偏差去纠正偏差，故这种控制方式为按偏差调节。

闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正偏差，使系统达到较高的控制精度。但与开环控制系统比较，闭环系统的结构比较复杂，构造比较困难。需要指出的是，由于闭环控制存在反馈信号，利用偏差进行控制，如果设计不当，将会使系统无法正常和稳定地工作。另外，控制系统的精度与系统的稳定性之间也常常存在矛盾。

开环控制和闭环控制方式各有优缺点，在实际工程中，应根据工程要求及具体情况来决定。如果事先预知输入量的变化规律，又不存在外部和内部参数的变化，则采用开环控制较好。如果对系统外部干扰无法预测，系统内部参数又经常变化，为保证控制精度，采用闭环控制则更为合适。如果对系统的性能要求比较高，为了解决闭环控制精度与稳定性之间的矛盾，可以采用开环控制与闭环控制相结合的复合控制系统。

1.2 自动控制系统的组成及术语

典型反馈控制系统的原理框图如图1-7所示。图1-7 反馈控制系统原理框图（1）被控对象：它是控制系统所控制和操纵的对象，它接受控制量并输出被控量。（2）控制器：接收变换和放大后的偏差信号，转换为对被控对象进行操作的控制信号。（3）放大变换环节：将偏差信号变换为适合控制器执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来放大变换。（4）校正装置：为改善系统动态和静态特性而附加的装置。如果校正装置串联在系统的前向通道中，称为串联校正装置；如果校正装置接成反馈形式，称为并联校正装置，又称局部反馈校正。（5）反馈环节：它用来测量被控量的实际值，并经过信号处理，转换为与被控量有一定函数关系，且与输入信号为同一物理量的信号。反馈环节一般也称为测量变送环节。（6）给定环节：产生输入控制信号的装置。

下面介绍控制系统中常用的名词术语。（1）输入信号：泛指对系统的输出量有直接影响的外界输入信号，既包括控制信号又包括扰动信号。其中，控制信号又称控制量、参考输入或给定值。（2）输出信号（输出量）：是指反馈控制系统中被控制的物理量，它与输入信号之间有一定的函数关系。（3）反馈信号：将系统（或环节）的输出信号经变换、处理送到系统（或环节）的输入端的信号，称为反馈信号。若此信号是从系统输出端取出送入系统输入端的，这种反馈信号称为主反馈信号。而其他称为局部反馈信号。（4）偏差信号：控制输入信号与主反馈信号之差。（5）误差信号：是指系统输出量的实际值与希望值之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上并不存在，它只能用与控制输入信号具有一定比例关系的信号来表示。在单位反馈情况下，希望值就是系统的输入信号，误差信号等于偏差信号。（6）扰动信号：除控制信号以外，对系统的输出有影响的信号。

1.3 自动控制系统的类型

自动控制系统的种类很多，其结构性能和完成的任务各不相同，因此有多种分类方法，下面介绍几种常见的分类。1.3.1 按信号流向划分

1.开环控制系统

开环控制系统原理框图如图1-8所示。信号由输入端到输出端单向流动。

2.闭环控制系统

若控制系统中信号除从输入端到输出端外，还有从输出到输入的反馈信号，则构成闭环控制系统，也称反馈控制系统，方框图如图1-9所示。图1-8 开环控制系统原理框图图1-9 闭环控制系统方框图1.3.2 按系统输入信号划分

1.恒值调节系统（自动调节系统）

这种系统的特征是输入量为一恒值，通常称为系统的给定值。控制系统的任务是尽量排除各种干扰因素的影响，使输出量维持在给定值（期望值）上。如工业过程中恒温、恒压、恒速等控制系统。

2.随动系统（跟踪系统）

该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任意变化的量，要求系统的输出量能迅速平稳地复现或跟踪输入信号的变化。如雷达天线的自动跟踪系统和高炮自动瞄准系统就是典型的随动系统。

3.程序控制系统

系统的控制输入信号不是常值，而是事先确定的运动规律，编成程序装在输入装置中，即控制输入信号是事先确定的程序信号，控制的目的是使被控对象的被控量按照要求的程序动作。如数控车床就属此类系统。1.3.3 线性系统和非线性系统

1.线性系统

组成系统元器件的特性均为线性的，可用一个或一组线性微分方程来描述系统输入和输出之间的关系。线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加性。

2.非线性系统

在系统中只要有一个元器件的特性不能用线性微分方程描述其输入和输出关系，则称为非线性系统。非线性系统还没有一种完整、成熟、统一的分析法。通常对于非线性程度不很严重或做近似分析时，均可用线性系统理论和方法来处理。非线性系统分析将在第7章专门讨论。1.3.4 定常系统和时变系统

1.定常系统

如果描述系统特性的微分方程中各项系数都是与时间无关的常数，则称为定常系统。该类系统只要输入信号的形式不变，在不同时间输入下的输出响应形式是相同的。

2.时变系统

如果描述系统特性的微分方程中只要有一项系数是时间的函数，此系统称为时变系统。1.3.5 连续系统和离散系统

1.连续系统

系统中所有元件的信号都是随时间连续变化的，信号的大小均是可任意取值的模拟量，称为连续系统。

2.离散系统

离散系统是指系统中有一处或数处的信号是脉冲序列或数码。若系统中采用了采样开关，将连续信号转变为离散的脉冲形式的信号，此类系统称为采样控制系统或脉冲控制系统。若采用数字计算机或数字控制器，其离散信号是以数码形式传递的，此类系统称为数字控制系统。在这种控制系统中，一般被控对象的输入/输出是连续变化的信号，控制装置中的执行部件也常常是模拟式的，但控制器是用数字计算机实现的，所以系统中必须有信号变换装置，如模数转换器（A/D转换器）和数模转换器（D/A转换器）。计算机控制系统将是今后控制系统的主要发展方向。1.3.6 单输入单输出系统与多输入多输出系统

1.单输入单输出系统（单变量系统）

系统的输入量和输出量各为一个，称为单输入单输出系统。

2.多输入多输出系统（多变量系统）

若系统的输入量和输出量多于一个，称为多输入多输出系统。对于线性多输入多输出系统，系统的任何一个输出等于数个输入单独作用下输出的叠加。

自动控制系统还可以按系统的其他特征来分类，本书将不再一一讨论，有兴趣的读者可参阅有关文献。

1.4 自动控制系统性能的基本要求

自动控制系统是否能很好地工作，是否能精确地保持被控量按照预定的要求规律变化，这取决于被控对象和控制器及各功能元器件的结构和特性参数是否设计得当。

在理想情况下，控制系统的输出量和输入量在任何时候均相等，系统完全无误差，且不受干扰的影响。然而，在实际系统中，由于各种各样原因，系统在受到输入信号（也包括扰动信号）的激励时，被控量将偏离输入信号作用前的初始值，经历一段动态过程（过渡过程），则系统控制性能的优劣，可以从动态过程中较充分地表现出来。

控制精度是衡量系统技术性能的重要尺度。一个高品质的系统，在整个运行过程中，被控量对给定值的偏差应该是最小的。

考虑动态过程在不同阶段中的特点，工程上通常从稳、准、好3个方面来衡量自动控制系统。

1.稳定性（稳）

稳定工作是对所有自动控制系统的基本要求，是一个系统能否工作的前提条件。不稳定的系统根本无法完成控制任务。考虑到实际系统工作环境或参数的变动，可能导致系统不稳定，因此，我们除要求系统稳定外，还要求其具有一定的稳定裕量。稳定性是系统的固有特性，由系统结构、参数所决定，与外部输入信号无关。

2.稳态精度（准）

稳态精度是指系统过渡到新的平衡工作状态以后，或系统抗干扰重新恢复平衡后，最终保持的精度。稳态精度与控制系统的结构、参数及输入信号形式有关。

3.动态过程（好）

动态过程是指控制系统的被控量在输入信号作用下随时间变化的全过程，衡量动态过程的品质好坏常采用单位阶跃信号作用下过渡过程中的超调量、过渡过程时间等性能指标。

对不同的被控对象，系统对稳、准、好的要求有所侧重。例如，随动系统对好要求较高。同一系统中，稳、准、好是相互制约的。提高过程的快速性，可能会加速系统振荡；改善了平稳性，控制过程又可能拖长，甚至使最终精度也变差。分析和解决这些矛盾，将是本课程的重要内容。

1.5 自动控制课程的主要任务

本课程的主要内容是阐述构成、分析和设计自动控制系统的基本理论。对实际系统，建立研究问题的数学模型，进而利用所建立的数学模型来讨论构成、分析、综合自动控制系统的基本理论和方法。

在已知系统数学模型下，研究系统的性能并寻找系统性能与系统结构、参数之间的关系，称为系统分析。本课程将详细介绍系统分析的一些常用方法。

如果已知对工程系统性能的要求，寻找合理的控制方案，这类问题称为系统综合。

作为研究自动控制系统的分析与综合的方法来说，对单输入单输出系统常采用的是时域法、频域法、根轨迹法，以及目前广泛应用的计算机辅助设计。

对于一个实际系统，其输入信号往往是比较复杂的，而系统的输出响应又与输入信号类型有关。因此，在研究自动控制系统的响应时，往往选择一些典型输入信号，并且以最不利的信号作为系统的输入信号，分析系统在此输入信号下所得到的输出响应是否满足要求，据此评估系统在比较复杂信号作用下的性能指标。

常采用的典型输入信号有以下几种。1.5.1 阶跃函数

阶跃函数的数学表达式为

它表示一个在t=0时出现的，幅值为 A 的阶跃变化函数，如图1-10所示。在实际系统中，如负荷突然增大或减小、流量阀突然开大或关小，均可以近似看成阶跃函数的形式。

A=1 的函数称为单位阶跃函数，记为1（t）。因此，幅值为 A 的阶跃函数也可表示为图1-10 阶跃函数

出现在 t=t 时刻的阶跃函数，表示为01.5.2 斜坡函数（等速度函数）图1-11 斜坡函数

斜坡函数的数学表达式为

斜坡函数从 t=0 时刻开始，随时间以恒定速度 A 增加，如图1-11所示。A=1时，斜坡函数称为单位斜坡函数。

斜坡函数等于阶跃函数对时间的积分，反之，阶跃函数等于斜坡函数对时间的导数。1.5.3 抛物线函数（等加速度函数）

抛物线函数的数学表达式为图1-12 抛物线函数

曲线如图1-12所示。当A=1时，称为单位抛物线函数。抛物线函数是斜坡函数对时间的积分。1.5.4 脉冲函数

脉冲函数的曲线如图1-13所示，数学表达式为

其面积为A，即r（t）dt=A。面积A表示脉冲函数的强度。

A=1，ε→0 的脉冲函数称为单位脉冲函数，记为 δ（t），即图1-13 脉冲函数

于是强度为 A 的脉冲函数可表示为 Aδ（t）。

δ（t-t）表示在 t=t 时刻出现的单位脉冲函数，即00

单位脉冲函数是单位阶跃函数的导数。1.5.5 正弦函数

正弦函数的数学表达式为

式中，A 为正弦信号的幅值；ω 为角频率，正弦函数为周期函数。

当正弦信号作用于线性系统时，系统的稳态分量是和输入信号同频率的正弦信号，仅仅是幅值和初相位不同。根据系统对不同频率正弦输入信号的稳态响应，可以得到系统性能的全部信息。

1.6 自动控制系统实例

本节将介绍一些控制系统实例。1.6.1 造纸机分部传动控制系统

造纸机分部传动控制系统原理图如图1-14所示。含有大量水分的纸张经过第一压榨棍后，去掉了一部分含水量，然后再进入第二压榨棍，再榨去一部分水分。第一压榨棍和第二压榨棍分别由各自的电动机拖动，显然，两个压榨棍的转速必须协调，否则将会拉断纸页或出现叠堆。图1-14 造纸机分部传动控制系统原理图

自动控制系统中，压榨棍拖动电动机M的转速由测速发电机TG2检测出来，并转换为速度反馈电压U。参考电压U与反馈电压U相比frf较得偏差电压U-U，经过放大去控制拖动电动机的转速，达到两个rf压榨棍的转速协调。1.6.2 谷物湿度控制系统

谷物湿度控制系统原理图如图1-15所示。我们知道谷物含水量直接影响面粉产量，谷物在混合成磨料前要先湿润，存在一个使谷物出粉最多的湿度，谷物湿度可通过加水来调整。实际中输入谷物的水分，谷物流量和水压均是变化不定的，为努力消除扰动的影响，可在上部加一水箱以保证供水压力不变，可以加一个送料漏斗以维持谷物流量基本不变。剩下就是谷物水分控制，首先测量输入谷物水分含量，构成顺馈控制部分，同时测量输出谷物水分含量，构成反馈部分，调节器将两个传感器来的信号与要求的湿度信号结合起来，给出正确水流量所必需的自动阀门整定值。1.6.3 烘烤炉温度控制系统

如图1-16所示，控制的任务是保持炉温恒定。由于炉温既受工件数量及环境温度的影响，又受煤气流量的控制，故调整煤气流量便可控制炉温。图1-15 谷物湿度控制系统图1-16 烘烤炉温度控制系统

若工件数量增加，烘炉的负荷加大，而煤气流量一时没变，则炉温下降，导致偏差电压ΔU>0，故电动机将阀门开大，增加煤气供给量，从而使炉温回升，直到重新等于给定值为止。

若负荷减小或煤气压力突然加大，则炉温升高，偏差电压ΔU<0，故电动机自动关小阀门，减小供气量，从而使炉温回降，直到等于给定值为止。

本 章 小 结

本章典型题、考研题详解及习题

A典型题详解

A1-1 瓦特蒸汽机调速器系统的原理如图A1-1所示，简述其工作原理。图A1-1 蒸汽机调速器系统的原理

解 系统工作原理为：根据要求的转速由设定螺钉和弹簧来给定，蒸汽机转速高于设定值时，在离心力作用下，重锤水平位置上升，通过杠杆使阀门关小，蒸汽机的蒸汽量减少，转速下降。反之，重锤水平位置下降，开大阀门使转速上升，蒸汽机转速保持在设定值。其为典型的负反馈控制系统。图A1-2 血糖和胰岛素浓度的关系

A1-2 健康人的血糖和胰岛素浓度的关系如图A1-2所示，设计能调节糖尿病人血糖浓度的系统，绘制对应系统的方框图。

解 根据生物医学知血糖浓度值可以通过调节胰岛素药物的注射量来控制。

方法1：被控变量是血糖浓度，给定信号根据糖尿病人当前一段时间的情况，利用可编程信号发生器产生，执行结构微型电机泵调节胰岛素注射速率，构成开环控制系统，如图A1-3（a）所示。

方法2：在开环控制的基础上增加一个血糖测量传感器。将测量值与预期血糖浓度比较，由偏差来调整电机泵的阀门，构成闭环控制系统，如图A1-3（b）所示。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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