自动控制系统及仿真技术9787516533475

第1章 自动控制系统导论

1.1 自动控制系统的基本原理

1.1.1 自动控制的基本概念

1.1.2 自动控制系统的组成框图

1.1.3 自动控制系统的基本控制方式

1.2 自动控制系统的分类

1.2.1 按输入量变化的规律分类

1.2.2 按系统中的参数对时间的变化规律分类

1.2.3 按系统中的参数对时间的变化情况分类

1.2.4 按输出量和输入量间关系分类

1.3 自动控制系统的基本要求

1.4 自动控制理论的发展历程

1.5 自动控制系统的分析与设计工具

1.5.1 关于MATLAB

1.5.2 控制系统工具箱

1.6 拓展任务——单闭环直流调速系统基本工作原理分析

本章小结

第2章 自动控制系统的数学模型

引言

2.1 拉普拉斯变换与拉普拉斯反变换

2.1.1 拉普拉斯变换的定义及其运算定理

2.1.2 拉普拉斯变换的MATLAB仿真

2.1.3 拉普拉斯反变换的定义及其运算定理

2.1.4 拉普拉斯反变换的MATLAB仿真

2.2 线性控制系统的时域数学模型——微分方程

2.2.1 微分方程的建立

2.2.2 微分方程的求解

2.2.3 微分方程求解的MATLAB仿真

2.3 线性控制系统的复数域数学模型——传递函数

2.3.1 传递函数的定义和性质

2.3.2 传递函数的零极点

2.3.3 典型环节的传递函数

2.3.4 传递函数的MATLAB仿真

2.4 控制系统的结构图

2.4.1 系统结构图的组成和绘制

2.4.2 系统结构图的等效变换和简化

2.4.3 控制系统连接的MATLAB仿真

2.5 闭环系统的传递函数

本章小结

第3章 线性系统的时域分析法

引言

3.1 时域性能指标

3.1.1 典型输入信号

3.1.2 控制系统性能指标

3.2 控制系统时域性能分析

3.2.1 一阶系统的性能分析

3.2.2 二阶系统的性能分析

3.2.3 时域性能分析的MATLAB仿真

3.3 时域稳定性分析

3.3.1 稳定性基本概念

3.3.2 线性系统稳定的充分必要条件

3.3.3 劳斯判据

3.3.4 时域稳定性分析的MATLAB仿真

3.4 稳态误差计算

3.4.1 稳态误差的概念

3.4.2 稳态误差的一般计算方法

3.4.3 系统类型与静态误差系统

本章小结

第4章 线性系统的频域分析法

引言

4.1 频率特性

4.1.1 频率特性的基本概念

4.1.2 频率特性的几何表示法

4.2 典型环节与开环系统频率特性

4.2.1 典型环节的频率特性

4.2.2 开环频率特性奈氏图的绘制

4.2.3 开环频率特性伯德图的绘制

4.2.4 开环系统频率特性的MATLAB仿真

4.3 频域稳定判据

4.3.1 圈数尺如何确定

4.3.2 开环传递函数含有积分环节

4.3.3 对数频率稳定判据

4.4 开环频率特性与闭环系统性能的关系

本章小结

第5章 线性系统的校正与设计

引言

5.1 系统校正的一般方法

5.1.1 串联超前校正

5.1.2 串联滞后校正

5.1.3 串联滞后-超前校正

5.1.4 PID控制器

5.2 控制系统的设计举例

5.2.1 单闭环转速负反馈晶闸管直流调速系统

5.2.2 转速、电流双闭环直流调速系统

5.2.3 设计实例

本章小结

第6章 MATIAB仿真实验

6.1 Simulink仿真集成环境简介

6.1.1 进入Simulink操作环境

6.1.2 基本操作

6.2 熟悉MATLAB的实验环境

6.2.1 实验目的

6.2.2 基础知识及MATLAB函数

6.2.3 实验内容

6.2.4 实验要求

6.3 典型环节的MATLAB性能分析

6.3.1 实验目的

6.3.2 基础知识

6.3.3 实验内容

6.3.4 实验要求

6.4 二阶系统的MATLAB性能分析

6.4.1 实验目的

6.4.2 基础知识及MATLAB函数

6.4.3 实验内容

6.4.4 实验要求

6.5 自动控制系统的稳定性和稳态误差分析

6.5.1 实验目的

6.5.2 基础知识及MATLAB函数

6.5.3 实验内容

6.5.4 实验要求

6.6 自动控制系统的频域分析

6.6.1 实验目的

6.6.2 基础知识及MATLAB函数

6.6.3 实验内容

6.6.4 实验要求

6.7 控制系统的校正及设计

6.7.1 实验目的

6.7.2 基础知识及MATLAB函数

6.7.3 实验内容

6.7.4 实验要求

6.8 数字PID控制

6.8.1 实验目的

6.8.2 基础知识

6.8.3 实验内容

6.8.4 实验要求

本章小结

参考文献

1.1自动控制系统的基本原理

工业现代化的基础是工业自动化。工业自动化的显著特征是自动控制技术的广泛应用。自动控制技术不仅可以大幅度地提高投人产出比，而且在减轻劳动强度、提高产品质量和降低能源消耗等方面有着不可替代的巨大作用。随着生产和科学技术的发展，自动控制技术还在改善生活质量、探索未知世界、提高国防实力等方面发挥着越来越重要的作用。从最初的机械转速或位置的控制到生产过程中温度、压力或流量的控制，从远洋巨轮到深水潜艇的控制，从飞机自动驾驶、航天飞船的返回控制，再到火星登陆控制，自动控制技术的应用几乎无所不在。从航空航天、电气、机械、化工、生物工程到经济管理，自动控制理论和技术已经渗透到各个应用领域的许多学科。所以许多工程技术人员和科学工作者都希望具备一定的自动控制知识，根据任务需要分析和设计自动控制系统。

1.1.1自动控制的基本概念

控制就是强制性地改变某些物理量，而使另外某些特定的物理量维持在某种特定的标准上。

如图1-1所示，这种人为地强制性地改变进水量，使液面高度h维持恒定的过程，即是人工控制过程。人在控制过程中起到的作用包括观测(用眼睛去观测水位指示值)、比较与决策(人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，进行判断，根据给定的控制规律给出控制量)、执行(根据控制量用手具体调节，如调节阀门开度)。

自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵被控对象，使被控量自动地按照期望的规律(给定值或按给定信号的变化规律)去运行或变化。例如，当用控制装置代替图1-1中人的作用，即当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差，这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变，如图1-2所示。

……

以经典控制理论为主，内容编排上先对控制系统的基本概念做必要的叙述，继而讨论实际系统在时域和复域中数学模型建立方法及其结构图的表示方法，再给出线性控制系统的时域分析法、频域分析法以及设计校正方法，并增加MATLAB在自动控制原理中的应用方面的内容，通过MATLAB软件快速分析和解决问题，加强读者对理论和方法的理解与掌握。本书在控制理论、工程应用及MATLAB仿真方面具有系统性，适合工科高等院校使用。