自动控制原理(非自动化专业)(第3版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)


发布时间:2020-07-29 19:50:53

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作者:秦肖臻

出版社:电子工业出版社

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自动控制原理(非自动化专业)(第3版)

自动控制原理(非自动化专业)(第3版)试读:

前言

长期以来,自动控制科学对整个科学技术的理论和实践做出了巨大贡献,为社会发展带来了巨大的利益。自动控制理论作为一门涉及多学科的科学,已广泛应用到电气、机械、化工、冶金、航空航天、核反应等工程领域,并进一步扩展到生命科学、社会发展和经济、金融等工程领域以外的范围,渗透到人类生活的各个方面。理论、技术的发展与应用,多学科的交叉与融合,使得人类利用自动控制技术已经并正在把许多梦想变成现实。

自动控制原理是自动控制技术的基础理论,是一门理论性较强的工程科学。从20世纪40年代经典控制理论体系建立至今,自动控制技术一直是伴随着生产实际和社会需要发展起来的,其理论在实际应用和与其他相关学科交叉渗透中日臻完善并不断发展和创新。随着现代科学的日新月异,自动控制理论已经成为应用最为广泛的学科之一,其发展前景和潜力是无可限量的。

自动控制原理是高等学校控制理论与控制工程专业的主干课程,目前国内各高校编写出版的相应教学用书已有多本,这类教材主要适应自动化专业本科生的教学需要,课内教学一般为100多学时。随着信息化、自动化技术的发展,许多高校把自动控制原理作为信息大类专业的平台课程,同时,机械、交通、能源、化工等专业也都开设了自动控制原理课程,因此,针对非自动化专业的教学需要,急需编写适合少学时数教学需要的自动控制原理教材。本书的编写目的正是为了适应工科院校非自动化专业本科生自动控制理论教学和信息学科平台课程的教学需要,特别适合作为少学时数自动控制原理的教学用书。本书第1、2版分别于2003年、2008年由化学工业出版社出版,第3版是在前2版的基础上,根据教育教学需要、学科发展,并广泛收集广大师生的反馈意见基础上,修订而成的。

本书旨在通过对非自动化专业本科生的课堂教学,使学生能理解和掌握自动控制的基本原理、基本技术和基本方法,拓宽学生的思路和视野,使其能将自动控制的理论与方法运用到各自所学专业之中,提高学生的理论知识水平和实际应用能力。

本书涵盖了自动控制理论的主要内容和基本概念,全书共9章。第1章在介绍自控制理论和控制系统的基本概念和定义的基础上,通过实例说明了自动控制系统的组成和控制过程,阐述了自动控制理论发展的各个阶段,提出了控制系统的分类方法和对系统控制的一般要求。第2章主要介绍了线性系统数学模型的描述和建立方法,包括时域模型——微分方程,以及在经典控制理论中使用最为广泛的一种复域模型——传递函数,基于传递函数的概念,介绍了用方块图表示系统结构的“图解模型”和通过方块图化简求取系统传递函数的方法。第3章对线性系统时域分析的基本方法进行了阐述,主要讨论了系统稳定性、瞬态性能和稳态性能分析,介绍了劳斯稳定判据、二阶系统性能指标分析和计算,以及稳态误差求取。第4章介绍了一种在工程上对系统进行分析的图解方法——根轨迹法,给出了绘制根轨迹图的基本规则和利用根轨迹对系统进行分析的基本方法。第5章介绍了线性系统频率特性的概念,频率特性的图形表示,着重讨论了频域中系统稳定性分析方法——奈奎斯特稳定判据,介绍了相对稳定性的概念、稳定裕度,以及频域指标的计算。第6章介绍线性系统校正的基本概念、校正原理和方法步骤,常用的校正装置及其特性,着重讨论了PID控制器的设计及其在系统校正中的作用。第7章讨论了离散系统的基本理论和分析方法,介绍了采样定理、z变换及其性质,给出了脉冲传递函数的概念,在此基础上,对采样系统的稳定性、稳态性能和动态性能的分析方法做了介绍。第8章介绍了现代控制理论的有关内容,主要包括状态空间模型的建立、系统的可控性和可观测性,以及线性系统的设计问题——状态反馈和极点配置等。第9章介绍了基于MATLAB的控制系统分析与设计,通过实例,简明扼要地介绍了MATLAB的控制系统工具箱函数,以及系统分析与设计的程序编写,为学生掌握和运用自动控制原理提供了方便。

本书由华中科技大学王敏教授和秦肖臻副教授编写。其中第1、3、4、5章由王敏编写,第2、6、7、8、9章由秦肖臻编写。建议将第1、2、3、5、6、7章作为基本教学内容,适合课堂教学约48学时数,不同专业也可根据各自专业的特点和需要选择其中部分内容组织教学。

限于编者水平和时间,书中如有错误和不妥之处,请读者不吝指正。

编者(wm526@163.com)

第1章 绪论

本章介绍自动控制的基本概念、自动控制理论的发展、控制系统的分类,以及对控制系统设计的基本要求等。

1.1 自动控制的基本概念

在现代科学技术的众多领域中,自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制,就是在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(控制装置),使机器、设备或生产过程(控制对象)的某个工作状态或参数(被控量)自动地按照预定的规律运行。如数控车床按预定程序自动切削,人造卫星准确进入预定轨道并回收,雷达自动跟踪空中的飞行体等,所有这些都离不开自动控制技术。

随着计算机技术的发展和应用,自动控制理论和技术在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中的应用也越来越深入和广泛。不仅如此,自动控制技术的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他许多社会生活领域中,成为现代社会生活中不可缺少的一部分。随着时代的进步和人们生活水平的提高,在人类探知未来,认识和改造自然,建设高度文明和发达社会的活动中,自动控制理论和技术必将进一步发挥更加重要的作用。作为工程技术人员,了解和掌握自动控制的有关知识是十分必要的。1.1.1 基本概念(1)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(如机器、设备或生产过程)的一个或数个物理量(如电压、电流、速度、位置、温度、流量、化学成分等)自动地按照预定的规律运行(或变化)。(2)自动控制系统 是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它一般由控制装置和被控对象组成。被控制对象是指那些要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。控制装置是指对被控对象起控制作用的设备总体。自动控制系统的功能和组成是多种多样的,其结构可简单也可复杂。它可以只控制一个物理量,也可以控制多个物理量甚至一个企业机构的全部生产和管理过程;它可以是一个具体的工程系统,也可以是比较抽象的社会系统、生态系统或经济系统。(3)方框图 常常用方框图来表示一个控制系统的结构及信号在系统中的传递路径,如图1-1所示。方框图通常由以下几部分组成:图1-1 方框图的组成

方框 控制装置和被控对象分别用方框表示。

信号线 方框的输入和输出,以及它们之间的连接用带箭头的信号线表示。

输入信号 进入方框的信号。

输出信号 离开方框的信号。

比较环节 表示两个或两个以上的信号的叠加,常用符号表示。(4)开环控制 开环控制是指系统的被控制量(输出量)只受控于控制作用,而对控制作用不能反施任何影响的控制方式,采用这一控制方式的系统称为开环控制系统。(5)闭环控制 闭环控制是指系统的被控制量(输出量)与控制作用之间存在着负反馈的控制方式。采用闭环控制的系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。1.1.2 开环控制与闭环控制的实例

1.炉温开环控制系统

如图1-2所示为一炉温开环控制系统,电炉是控制对象,炉温是要求进行自动控制的物理量,称为被控量。控制装置是电阻丝和开关,电阻丝接通电源受时间继电器触点开关S的控制,开关S闭合与断开的时间按照在正常情况下炉温可达到的希望值的经验数据预先设定。实际炉温虽然可能高于或低于希望值,但基本能保持恒温。但是,如果工作条件发生变化,例如,炉门开关次数增加,由于没有对被控制量炉温进行测量,并根据实际炉温与希望值的偏差来改变开关S接通和断开时间,炉温就会低于希望值,因此,系统的控制精度较低。从本例可看出,开环控制的特点是控制装置只按照给定的输入信号对被控制量进行单向控制,而不对控制量进行测量并反向影响控制作用。因此,开环控制不具有修正由于扰动(使被控制量偏离希望值的因素)而出现的被控制量与希望值之间偏差的能力,即开环系统的抗干扰能力较差。

2.炉温闭环控制系统

如果在图1-2所示炉温开环控制系统中加入一个接触式水银温度计来测量炉温,就可由开环系统转换成闭环系统,如图1-3所示。水银温度计的两个触点A和B接在常闭继电器的线圈电路中,它们随着水银柱的升降接通或断开电源,使触点S开启或闭合。例如,当温度升至希望值时(对应水银柱在A点位置),A、B两点接通,此时继电器线圈回路电源接通,常闭触点S断开,使电阻丝中没有电流流过,炉温开始下降;当温度低于设定值时,水银柱下降,继电器线圈中无电流通过,常闭触点S闭合,电阻丝与电源接通,使温度上升。调整水银温度计触点A的位置,就可改变炉温的希望值。图1-4是闭环炉温控制系统的方框图。图1-2 炉温开环控制系统图1-3 炉温闭环控制系统图1-4 闭环炉温控制系统方框图

在闭环控制系统中,被控制量一般由测量装置反馈到输入端,然后由比较装置将反馈量与输入信号加以比较,得到实际值与希望值之间的偏差,再对控制量进行调整。有时测量与比较由同一个装置完成,如炉温控制系统中的温度计。典型闭环控制系统方框图如图1-5所示,图中在比较环节处的“-”号表示负反馈,输入量与反馈量在比较环节的叠加关系是相减。图1-5 闭环控制系统方框图

图 1-6 所示为一主从机械手的原理图,其工作原理如下:主动手发出指令信号θ ,希望从动手跟随转动相同角度,即θ=θ,若主、121从手转动角度不一致,则电位计 A 和 B 就会产生与角度差成比例的电压差 e,经放大器放大后加到电动机的电枢回路中,电动机带动从动手和电位计 B 旋转,使角度差θ=θ-θ减小,当角度差为零时,电e12压差也为零,电动机停止转动,这样,就保证了主从手旋转角度的一致性。该系统中,电位计A给出指令信号,电位计B起着检测被控制量(从动手的旋转角度)并将其转换成电压反馈到输入端的作用,电位计组 A、B同时起着偏差检测器的作用,这是一个典型的闭环控制系统。图1-6 主从机械手原理图

1.2 自动控制理论的发展

自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学,既是一门古老的、已臻成熟的学科,又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从1868年马克斯威尔(J.C.Maxwell)提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里,自动控制理论的发展可分为4个主要阶段:

第一阶段:经典控制理论(或古典控制理论)的产生、发展和成熟;

第二阶段:现代控制理论的兴起和发展;

第三阶段:大系统控制的兴起和发展;

第四阶段:智能控制发展。

1.经典控制理论

控制理论的发展初期,是以反馈理论为基础的自动调节原理,主要用于工业控制。第二次世界大战期间,为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备,进一步促进和完善了自动控制理论的发展。

1868年,马克斯威尔(J.C.Maxwell)提出了低阶系统的稳定性代数判据。

1895年,数学家劳斯(Routh)和赫尔威茨(Hurwitz)分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据,即Routh和Hurwitz判据。

第二次世界大战期间(1938—1945年)奈奎斯特(H.Nyquist)提出了频率响应理论;1948年,伊万斯(W.R.Evans)提出了根轨迹法。至此,控制理论发展的第一阶段基本完成,形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。

经典控制理论的基本特征:(1)主要用于线性定常系统的研究,即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合;(2)只用于单输入、单输出的反馈控制系统;(3)只讨论系统输入与输出之间的关系,而忽视系统的内部状态,是一种对系统的外部描述方法。

应该指出的是,反馈控制是一种最基本、最重要的控制方式,引入反馈信号后,系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝,从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时,反馈作用又带来了系统稳定性问题,正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情,推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲,经典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。

2.现代控制理论

由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统,只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态,因而在实际应用中有很大局限性。

随着航天事业和计算机的发展,20世纪60年代初,在经典控制理论的基础上,以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。

1954年贝尔曼(R.Belman)提出动态规划理论;

1956年庞特里雅金(L.S.Pontryagin)提出极大值原理;

1960年卡尔曼(R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论。

在数学工具、理论基础和研究方法上,现代控制理论不仅能提供系统的外部信息(输出量和输入量),而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统,定常系统或时变系统,单变量系统或多变量系统,都是十分重要的。

3.大系统理论

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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