高职高专电气自动化技术专业规划教材 自动控制原理与系统 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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王诗军 著

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出版社： 中国电力出版社

ISBN：9787512300415

商品编码：29657979076

包装：平装

出版时间：2010-01-01

基本信息

书名：高职高专电气自动化技术专业规划教材 自动控制原理与系统

定价：17.60元

作者：王诗军

出版社：中国电力出版社

出版日期：2010-01-01

ISBN：9787512300415

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.281kg

编辑推荐

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内容提要

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本书为高职高专电气自动化技术专业规划教材。
本书分为两篇九章，上篇为自动控制原理部分，包括自动控制系统的基本概念、数学模型、自动控制的时域分析法和频域分析法、自动控制系统的校正。下篇为自动控制系统部分，包括单闭环调速系统、转速、电流双闭环直流调速系统、可逆直流调速系统、直流脉宽调速系统。
本书可作为高职高专自动化类、电力技术类等专业自动控制原理与系统课程的教材，也可供相关工程技术人员参考。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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课程背景与价值 在当今工业自动化飞速发展的时代，电气自动化技术作为核心驱动力，其重要性日益凸显。现代工业生产的精细化、智能化和柔性化，无不依赖于先进的自动控制理论和系统。从传统的流程控制到复杂的机器人协作，再到智能制造的车间调度，自动控制技术贯穿于工业生产的每一个环节，是提升生产效率、保障产品质量、降低运行成本的关键。 电气自动化技术专业的学生，掌握自动控制原理与系统，不仅是理解和操作自动化设备的基础，更是未来进行系统设计、优化和创新的必备知识。本课程旨在为学生打下坚实的理论基础，培养分析和解决实际自动化问题的能力，使其能够胜任自动化工程师、系统集成工程师、技术支持工程师等多种岗位。 课程内容深度解析 本课程深入探讨了自动控制的基本概念、理论方法和工程应用，力求构建一个系统、完整、逻辑清晰的学习框架。 第一部分：自动控制系统基础 自动控制概述： 定义与分类： 详细阐述自动控制的概念，区分开环控制与闭环控制，分析两者的优缺点及其适用场景。例如，开环控制简单易实现，但精度受干扰影响大，适用于工艺稳定、对精度要求不高的场景；闭环控制通过反馈机制，能有效克服扰动，提高控制精度，是现代自动化系统的主流。 基本组成： 剖析典型自动控制系统的组成部分，包括控制器、被控对象、传感器、执行器以及信号传输环节。通过实际案例（如空调温度控制），直观展示各部分的功能和相互作用。 性能指标： 引入对自动控制系统性能进行量化评估的各项指标，如稳定性、准确性、快速性、鲁棒性等。深入讲解静态性能指标（如稳态误差）和动态性能指标（如超调量、调节时间），并分析不同指标之间的权衡关系。 系统建模： 线性系统与非线性系统： 区分线性系统与非线性系统的特点，并说明为何在初级阶段通常以线性系统为主要研究对象。 数学模型： 重点介绍几种常用的系统数学模型，包括： 传递函数： 详细讲解传递函数的概念、建立方法（拉普拉斯变换法）及其在描述动态特性中的作用。通过一阶、二阶系统的传递函数分析，展示其物理意义。 微分方程： 介绍如何从物理规律（如牛顿定律、基尔霍夫定律）出发，建立系统的微分方程模型，并阐述微分方程与传递函数之间的转换关系。 系统框图与信号流图： 教授如何绘制系统框图和信号流图，以直观展示系统的结构和信号的流转，并介绍简化这些图的方法（如梅逊公式），为后续分析打下基础。 典型环节的数学模型： 深入解析比例（P）、积分（I）、微分（D）控制器，惯性环节、振荡环节、积分环节等基本控制环节的数学模型，分析它们各自的动态特性和在控制系统中的作用。 第二部分：线性系统时域分析 瞬态响应分析： 典型输入信号： 介绍阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号等典型输入信号，并分析系统在这些信号作用下的输出响应。 时域性能指标： 结合具体系统模型，详细计算和分析上升时间、达到时间、超调量、调节时间等时域性能指标，并解释它们对系统性能的影响。例如，介绍如何通过调整控制器参数来优化这些指标。 稳定性判据： 劳斯判据： 详细阐述劳斯判据的原理和计算步骤，讲解如何利用该判据判断线性系统的稳定性，并分析临界稳定情况。 根轨迹法： 介绍根轨迹法的基本概念，包括根轨迹的绘制规则，以及根轨迹在s平面上的位置与系统稳定性的关系。通过根轨迹图，可以直观地了解系统参数变化对系统稳定性和动态性能的影响。 稳态分析： 稳态误差： 分析系统在单位阶跃、单位斜坡、单位加速度等输入信号作用下的稳态误差。 静差系数： 引入位置静差系数、速度静差系数、加速度静差系数的概念，并阐述它们与系统类型之间的关系，以及如何通过改变系统类型来减小稳态误差。 第三部分：线性系统频域分析 频率响应： 幅频特性与相频特性： 讲解频率响应的概念，即系统输出信号频率与输入信号频率相同时的幅值和相位的变化关系。 伯德图（Bode图）： 详细介绍伯德图的绘制方法和解读技巧，包括幅频特性曲线和相频特性曲线。通过伯德图，可以直观地分析系统的频率特性，如带宽、截止频率等。 奈奎斯特图（Nyquist图）： 介绍奈奎斯特稳定判据的原理，并通过绘制奈奎斯特图来判断系统的稳定性。 稳定性和性能的频域判据： 幅值裕度和相角裕度： 解释幅值裕度和相角裕度的概念，它们是衡量系统稳定性的重要指标，并且与伯德图中的穿越频率和相角余量直接相关。 增益裕度和相位裕度： 进一步阐述增益裕度和相位裕度在判断系统稳定性时的作用，以及它们与系统动态响应之间的联系。 系统设计与校正（频域法）： 串联校正与反馈校正： 介绍两种常见的校正方法。 PID控制器设计（频域）： 结合频域分析方法，讲解如何设计PID控制器以改善系统的动态性能和稳定性。 第四部分：状态空间分析方法 状态空间方程： 概念与建立： 介绍现代控制理论的核心——状态空间方法。详细讲解状态向量、状态方程和输出方程的概念，以及如何从微分方程或传递函数模型转换为状态空间模型。 线性定常系统的状态方程： 重点关注线性时不变系统（LTI）的状态空间表示。 可控性与可观测性： 定义与判据： 深入分析系统的可控性（能否通过控制输入使系统达到任意状态）和可观测性（能否通过测量输出来推断系统的内部状态）。介绍判别可控性和可观测性的代数判据。 工程意义： 阐述可控性与可观测性在系统设计与分析中的重要性，例如，可控性是设计状态反馈控制器的前提，可观测性是设计状态观测器的基础。 状态反馈与状态观测器： 状态反馈控制： 讲解如何利用状态反馈来改变系统的闭环极点位置，从而达到期望的系统性能。 状态观测器设计： 介绍状态观测器的作用（估计不可测状态），并讲解其设计方法，例如，李雅普诺夫稳定定理在状态观测器设计中的应用。 第五部分：非线性控制系统简介 非线性系统的特点： 线性系统与非线性系统的本质区别： 探讨叠加原理在非线性系统中的失效，以及非线性系统可能出现的特殊现象，如极限环、跳跃现象等。 常见非线性环节： 介绍饱和、死区、继电器（滞回）等典型非线性环节的数学模型及其对系统行为的影响。 非线性系统分析的基本方法： 相平面法： 介绍相平面法的基本原理，通过绘制相轨迹来分析二阶非线性系统的动态行为，特别是在识别极限环方面的应用。 李雅普诺夫稳定性理论： 介绍李雅普诺夫第一方法（直接法）和第二方法（间接法）的基本思想，以及如何利用李雅普诺夫函数来判断非线性系统的稳定性，这是分析非线性系统稳定性的最重要和最通用的方法。 常见非线性控制策略简介： 简要介绍一些常用的非线性控制方法，如PID控制在非线性系统中的应用局限性，以及滑模控制、模糊控制、神经网络控制等更高级的控制策略的思想和应用方向。 第六部分：数字控制系统基础 数字控制系统概述： 组成与特点： 介绍数字控制系统的基本组成，包括采样器、保持器、数字控制器、A/D转换器和D/A转换器，以及其与模拟控制系统的区别和优势（精度高、易于实现复杂算法、灵活性强）。 采样定理： 深入讲解奈奎斯特采样定理，明确采样频率与信号带宽的关系，以及避免混叠失真的重要性。 离散系统数学模型： Z变换： 介绍Z变换及其性质，它是分析离散时间信号和系统的基本数学工具，类似于拉普拉斯变换在连续系统中的作用。 离散传递函数： 讲解如何通过Z变换将连续时间系统转换为离散时间系统，并推导出离散传递函数。 脉冲离散化： 介绍如何对连续系统进行脉冲采样和离散化，得到其在离散时间点上的数学模型。 离散系统时域与频域分析： 离散系统稳定性判据： 讲解 Jury判据等用于判断离散系统稳定性的方法。 脉冲响应： 分析离散系统在单位脉冲输入下的响应。 数字PID控制器设计： 位置式与增量式PID： 介绍两种常用的数字PID控制器实现方式。 离散化设计方法： 结合Z变换等工具，讲解如何将连续PID控制器转换为数字PID控制器。 第七部分：典型自动控制系统工程应用 PID控制器应用： 参数整定方法： 详细介绍多种PID参数整定方法，包括手动整定法、经验整定法（如试凑法、响应曲线法）、理论整定法（如临界比例法、衰减法）、以及基于优化的整定方法（如遗传算法、粒子群算法在PID参数优化中的应用）。 实际工程中的应用： 通过温度控制、液位控制、速度控制等实例，讲解PID控制器在实际工业场景中的应用，以及如何根据实际工况进行参数调整和优化。 伺服系统与步进电机控制： 伺服系统原理： 介绍伺服系统的组成、工作原理（位置闭环、速度闭环），及其在高精度运动控制中的应用。 步进电机控制： 讲解步进电机的驱动方式、控制信号生成，以及其在定位控制中的特点和应用。 PLC在自动控制系统中的应用： PLC基础： 介绍可编程逻辑控制器（PLC）的基本结构、工作原理、编程语言（如梯形图、指令表、顺序功能图等）。 PLC控制逻辑设计： 讲解如何利用PLC实现顺序控制、逻辑控制、PID控制等，以及PLC在工业自动化中的广泛应用。 其他先进控制技术简介： 简要介绍模糊控制、神经网络控制、自适应控制、模型预测控制等更先进的控制策略，以及它们在解决复杂自动化问题中的潜力。 实践性环节 实验教学： 仿真实验： 利用Matlab/Simulink等仿真软件，搭建各种自动控制系统模型，进行仿真分析，验证理论知识，如阶跃响应、频率响应仿真，根轨迹与伯德图分析。 硬件实验： 结合实物平台，如基于单片机或PLC的控制系统实验台，进行实际的传感器信号采集、执行器控制、PID参数整定等操作，加深对自动控制原理的理解。 课程设计： 小型项目： 设计并实现一个简单的自动控制系统，例如，一个DIY的智能小车循迹系统，一个简单的温湿度自动调节装置。 综合性项目： 针对某一实际工业控制问题，进行系统分析、方案设计、模型建立、控制器设计、仿真验证，甚至简单硬件实现，培养学生综合运用所学知识解决实际工程问题的能力。 总结 本课程是一门集理论性、系统性和实践性于一体的专业核心课程。通过对自动控制系统原理的深入剖析，以及对经典与现代控制技术的广泛介绍，旨在培养学生扎实的理论功底、敏锐的分析能力和解决复杂工程问题的综合素质，为他们在自动化技术领域的发展奠定坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

这本书最让我欣赏的一点，是它在理论与实践的衔接上做得相当出色。我们都知道，很多教材要么过于偏重理论的学院派，要么又沦为简单的操作手册，难以找到一个平衡点。但这本书显然找到了那个黄金分割点。在讲解了例如PID控制器的设计原理之后，紧接着就会出现一个详细的、可操作的案例分析，图文并茂地展示了如何将理论参数转化为实际的工程设置。这些案例的选取都非常贴近工业现场的常见问题，而不是那种脱离实际的“玩具系统”。此外，书中对于一些典型控制元件的工作特性描述也十分到位，比如如何从物理特性反推控制器的参数设定，这种“知其所以然”的讲解方式，极大地增强了我们解决实际工程问题的能力和信心。

评分☆☆☆☆☆

我必须得说，这本书在理论深度上处理得极其到位，绝非那种浮于表面的“入门读物”。它并没有满足于仅仅介绍基本概念，而是深入剖析了自动控制系统的核心数学模型和其背后的物理意义。特别是关于传递函数、状态空间表示法的阐述，逻辑链条完整且严密，每一步的推导都经得起推敲，让我这个在其他教材上常常感到困惑的读者，终于有种豁然开朗的感觉。作者似乎非常清楚高职高专学生在理论基础上的潜在薄弱点，因此在处理像拉普拉斯变换、傅里叶分析这类基础工具时，都用了非常贴近实际工程的视角去讲解，而不是纯粹的数学抽象。读完关于系统稳定性分析的那几章，我感觉自己对根轨迹和奈奎斯特判据的理解上升到了一个全新的高度，这对于后续学习现代控制理论打下了坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

阅读体验上，这本书最大的特点就是它的“自洽性”和“友好度”。它采用了一种非常鼓励自主学习的叙事方式，即便是初次接触控制理论的人，只要愿意投入精力，也能跟随作者的思路一路走下去。书中几乎没有出现那种突然抛出一个概念让你去查阅其他资料才能理解的“断层”。每一个新的术语、每一个新的定理，几乎都在前文或脚注中得到了充分的铺垫和解释。更重要的是，它并没有使用过于晦涩难懂的学术“黑话”，语言表达直白有力，避免了不必要的修饰，使得阅读过程既高效又舒适。这对于高职院校的学生群体来说，无疑是一本极佳的自学辅助材料，极大地降低了学习自动控制这门“拦路虎”课程的心理门槛。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和设计实在令人眼前一亮，简直是教科书界的“清流”。封面设计简约而不失专业感，色彩搭配沉稳大气，让人一上手就觉得内容肯定扎实。内页的纸张质量相当不错，印刷清晰锐利，字迹边缘没有一点拖沓的毛病，即便是长时间阅读，眼睛也不会感到明显的疲劳。更值得称赞的是，编排逻辑极为清晰流畅。章节间的过渡自然，知识点的层层递进设计得非常巧妙，让你感觉自己不是在硬啃理论，而是在一步步构建起一个完整的知识体系。特别是那些复杂的数学公式，处理得非常干净利落，注释也恰到好处，使得枯燥的公式推导过程也变得相对易懂。这种对细节的极致追求，体现了编者深厚的教学功底和对读者的体贴入微，对于需要反复翻阅参考的工具书来说，这种优秀的物理形态本身就是一种极大的加分项。

评分☆☆☆☆☆

从教学内容的广度和前沿性来看，这本书展现了极强的时代感和前瞻性。它不仅仅停留在经典的经典控制理论层面，对于一些与现代工业自动化紧密相关的概念也有所涉猎，虽然可能只是点到为止，但为我们指明了后续学习的方向。例如，书中对数字控制系统的基本架构、采样保持器的作用，以及引入离散化概念时的阐述，都非常符合当前智能制造对自动化人才的需求趋势。对于我们这些致力于未来进入自动化生产线的学生来说，能够提前接触到这些“新名词”并建立初步认知，无疑是抢占了先机。这本书的编写者显然是紧跟行业发展的，确保了教材内容的“保鲜期”更长久，不会很快就被淘汰。