自動控製原理(附光盤) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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吳懷宇，廖傢平 著

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齣版社： 華中科技大學齣版社

ISBN：9787560941646

商品編碼：29716399969

包裝：平裝

齣版時間：2007-09-01

基本信息

書名:自動控製原理(附光盤)

：36.80元

售價：25.0元,便宜11.8元,摺扣67

作者:吳懷宇,廖傢平

齣版社：華中科技大學齣版社

齣版日期：2007-09-01

ISBN：9787560941646

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版次：1

裝幀：平裝

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編輯推薦

內容提要

本書是根據國傢教育部高等院校電氣工程類專業“自動控製原理”課程教學大綱的要求編寫的。全書從高等工程教育對人纔的培養目標齣發，討論瞭經典控製理論的基本概念、基本原理和基本方法，著重加強對基本理論及其應用的闡述。全書共8章，內容包括：自動控製與自動控製係統的一般概念；控製係統的數學模型；控製係統的時域分析法、根軌跡法和頻率特性法；係統的校正方法；離散控製係統的概念、特點和研究方法。
全書結構閤理，層次分明，係統、完整地反映瞭控製理論的發展，重要內容的分析、推證都比較詳細。在每章的後，引入瞭用Matlah進行控製理論相關問題和方法的計算機仿真分析、計算和繪圖。本書還附有教學光盤供課堂教學和自學使用。本書可作為自動化專業、電氣工程及其自動化專業、測控技術與儀器專業及其相關專業的本科生及研究生教材，也可供從事控製理論與控製工程研究、設計和應用的科技工作者參考使用。

目錄

1 緒論
1.1 自動控製理論的形成與發展
1.2 自動控製係統的基本概念
1.3 自動控製係統的基本構成
1.4 自動控製係統的分類
1.5　對自動控製係統的基本要求
1.6　教學內容與要求
本章小結
習題
2　控製係統的數學模型
2.1　綫性係統的微分方程
2.2　非綫性係統的綫性化
2.3　傳遞函數
2.4　方框圖及其變換
2.5　信號流圖及其應用
2.6　控製係統的典型傳遞函數
2.7　用Matlab處理係統數學模型
本章小結
習題
3　控製係統的時域分析
3.1　典型輸入信號
3.2　綫性定常係統的時域響應與性能指標
3.3　一階係統的時域響應
3.4　二階係統的時域響應
3.5　高階係統的時域響應
3.6　綫性定常係統的穩定性
3.7　係統的穩態誤差
3.8　用Matlab和Simulink進行瞬態響應分析
本章小結
習題
4　根軌跡法
4.1　根軌跡法的概念
4.2　根軌跡方程
4.3　常規根軌跡及其繪製
4.4　廣義根軌跡及其繪製
4.5　用根軌跡分析控製係統
4.6　用Matlab繪製根軌跡
本章小結
習題
5　控製係統的頻域分析
5.1　頻率特性的基本概念
5.2　典型環節的頻率特性
5.3　係統開環頻率特性
5.4　奈奎斯特穩定判據
5.5　控製係統的相對穩定性
5.6　閉環係統頻率特性
5.7　頻域性能指標與時域性能指標的關係
5.8　用Matlab進行頻域分析
本章小結
習題
6　控製係統的校正與設計
6.1　控製係統校正的概念
6.2　基本控製規律分析
6.3　常用校正裝置及其特性
……
7　非綫性控製係統
8　離散控製係統
參考文獻

作者介紹

文摘

序言

《工程控製係統導論》 第一章：引言與基本概念 本章旨在為讀者建立對自動控製係統的初步認知，從宏觀層麵闡述其重要性、應用領域以及基本組成。我們將深入探討“控製”這一概念的本質，區分其與“開環控製”和“閉環控製”的區彆，並理解閉環控製在實現精確、穩定係統性能方麵的核心優勢。 1.1 什麼是自動控製係統？ 定義自動控製係統的核心要素：被控對象、控製器、傳感器、執行器。 闡述自動控製係統在現代社會中的廣泛應用：從日常傢電（如空調、洗衣機）到尖端科技（如航空航天、機器人、工業自動化），無處不在。 分析自動控製係統帶來的效益：提高生産效率、提升産品質量、保障人身安全、改善生活品質。 區分“自動”與“手動”控製的界限，強調自動控製係統的智能化和自主性。 1.2 控製係統的基本組成 被控對象 (Plant/Process)： 詳細介紹被控對象的概念，例如一個加熱爐、一個電機、一個飛行器姿態係統等，以及它們各自的動力學特性。 傳感器 (Sensor)： 探討各種類型傳感器的作用，如溫度傳感器、速度傳感器、位置傳感器等，以及它們如何將物理量轉化為電信號。 控製器 (Controller)： 介紹控製器的核心功能，即根據測量到的反饋信號，與期望值進行比較，並産生控製信號。初步引入比例 (P) 控製、比例-積分 (PI) 控製、比例-積分-微分 (PID) 控製等基本控製策略的原理。 執行器 (Actuator)： 闡釋執行器的作用，將控製器的輸齣信號轉化為對被控對象的物理作用，例如電機驅動、閥門開關、加熱元件功率調節等。 反饋信號 (Feedback Signal)： 強調反饋信號的重要性，它是閉環控製的核心，使得係統能夠實時瞭解被控對象的運行狀態，並進行修正。 1.3 開環控製與閉環控製 開環控製 (Open-Loop Control)： 解釋其工作原理：控製器的輸齣僅取決於輸入信號，不考慮被控對象的實際輸齣。 分析其優點：結構簡單、成本低廉。 討論其缺點：易受外部擾動影響、精度較低、難以適應被控對象參數變化。 舉例說明：定時開關的電飯煲、手動調節的流水龍頭。 閉環控製 (Closed-Loop Control)，也稱反饋控製 (Feedback Control)： 深入闡述其核心機製：通過傳感器測量被控對象的輸齣，將其與期望值（設定值）進行比較，産生誤差信號，然後控製器根據誤差信號調整其輸齣，以減小誤差。 強調反饋的作用：糾正誤差、抑製擾動、補償係統參數變化。 分析其優點：精度高、穩定性好、抗擾動能力強。 討論其缺點：結構相對復雜、成本較高、可能存在穩定性問題（需仔細設計）。 舉例說明：恒溫器控製空調、汽車巡航控製係統、無人機自動飛行係統。 第二章：係統建模與數學描述 本章將引導讀者理解如何將實際的物理係統轉化為數學模型，這是進行係統分析和設計的基礎。我們將介紹幾種常用的建模方法，並深入探討綫性時不變 (LTI) 係統在自動控製理論中的核心地位。 2.1 係統建模概述 闡述建模的目的：預測係統行為、設計控製器、進行性能分析。 區分不同類型的模型：物理模型、數學模型、經驗模型。 介紹建模的基本步驟：識彆係統輸入輸齣、確定係統組件、選擇建模方法。 2.2 物理係統建模 機械係統建模： 基於牛頓第二定律，建立質量-彈簧-阻尼係統的動力學方程。 介紹拉格朗日方程在建模復雜機械係統中的應用。 示例：彈簧連接的物體在受力作用下的運動。 電路係統建模： 運用基爾霍夫電壓定律 (KVL) 和電流定律 (KCL) 建立RLC電路的微分方程。 引入阻抗的概念，簡化交流電路的分析。 示例：RC濾波器、RLC振蕩電路。 熱力係統建模： 基於能量守恒定律，描述熱量傳遞和溫度變化的關係。 考慮熱阻、熱容等參數。 示例：加熱器加熱房間的溫度模型。 流體係統建模： 基於質量守恒和能量守恒，描述液位、流量等參數的變化。 考慮管道阻力、泵的特性等。 示例：儲水罐的液位控製模型。 2.3 傳遞函數 (Transfer Function) 拉普拉斯變換 (Laplace Transform)： 介紹拉普拉斯變換的定義及其在將時域微分方程轉化為頻域代數方程中的作用。 列舉常用的拉普拉斯變換對和性質。 定義傳遞函數： 解釋傳遞函數是係統零初始條件下輸齣的拉普拉斯變換與輸入的拉普拉斯變換之比。 強調傳遞函數是綫性時不變係統的核心描述工具。 典型環節的傳遞函數： 比例環節 (Proportional Element)： $G(s) = K$ 積分環節 (Integral Element)： $G(s) = frac{K}{s}$ 微分環節 (Derivative Element)： $G(s) = Ks$ 慣性環節 (First-Order Inertial Element)： $G(s) = frac{K}{Ts+1}$ 振蕩環節 (Second-Order Oscillatory Element)： $G(s) = frac{K}{frac{s^2}{omega_n^2} + frac{2zeta}{omega_n}s + 1}$ 係統串聯、並聯、反饋連接的傳遞函數： 推導串聯係統、並聯係統以及閉環反饋係統的總傳遞函數。 示例：由多個串聯環節組成的係統，以及帶有比例控製器和一階慣性對象的閉環係統。 2.4 狀態空間方法 (State-Space Representation) 介紹狀態空間法的概念：用一組一階微分方程描述係統的內部狀態。 定義狀態嚮量、輸入嚮量和輸齣嚮量。 給齣綫性時不變係統的標準狀態空間方程：$dot{x}(t) = Ax(t) + Bu(t)$ 和 $y(t) = Cx(t) + Du(t)$。 闡述狀態空間方法在處理多輸入多輸齣 (MIMO) 係統、時變係統以及進行更深入係統分析（如可控性、可觀性）方麵的優勢。 討論狀態空間模型與傳遞函數模型之間的轉換關係。 第三章：時域分析與性能指標 本章將聚焦於分析自動控製係統在不同輸入信號作用下的動態響應特性，並引入一係列量化係統性能的關鍵指標。 3.1 典型輸入信號 單位階躍信號 (Unit Step Input)： $u(t) = 1(t)$，錶示係統突然施加一個恒定輸入。 單位斜坡信號 (Unit Ramp Input)： $u(t) = t cdot 1(t)$，錶示係統施加一個隨時間綫性增長的輸入。 單位脈衝信號 (Unit Impulse Input)： $delta(t)$，錶示係統受到一個短暫的、無限大的輸入。 正弦信號 (Sinusoidal Input)： $u(t) = A sin(omega t + phi)$，用於分析係統的頻率響應特性。 3.2 穩定性分析 穩定性定義： 闡述在有界輸入下，係統的輸齣也保持有界，即為穩定。反之則不穩定。 自由響應 (Natural Response)： 分析係統在無外輸入時，其輸齣隨時間的變化。 極點 (Poles) 與穩定性： 解釋傳遞函數中使分母為零的根被稱為極點。 建立極點位置與係統穩定性的關係： 所有極點都在復平麵的左半平麵（實部為負）：係統穩定。 存在實部為正的極點：係統不穩定。 極點位於虛軸上（實部為零）：臨界穩定（或稱為穩定但輸齣會隨時間增長）。 勞斯判據 (Routh Criterion)： 介紹勞斯判據作為一種代數方法，用於判斷綫性時不變係統特徵方程根的分布，從而判定係統穩定性，無需計算特徵方程的根。 詳細講解勞斯錶 (Routh Array) 的構造方法及判據的應用。 3.3 暫態響應分析 (Transient Response Analysis) 一階係統響應： 分析單位階躍信號作用下，一階係統的響應麯綫，包括時間常數 ($ au$) 的意義，以及上升時間、調節時間等指標。 演示不同時間常數對係統響應速度的影響。 二階係統響應： 介紹二階係統的暫態響應特性，包括阻尼比 ($zeta$) 和自然頻率 ($omega_n$) 對響應的影響。 欠阻尼 (Underdamped, $zeta < 1$)： 齣現超調，可能存在振蕩。 臨界阻尼 (Critically Damped, $zeta = 1$)： 最快的無超調響應。 過阻尼 (Overdamped, $zeta > 1$)： 響應速度較慢，無超調。 未定義阻尼 (Undamped, $zeta = 0$)： 持續振蕩。 性能指標： 超調量 (Overshoot, $M_p$)： 輸齣值第一次達到並超過最終穩態值的部分。 峰值時間 (Peak Time, $t_p$)： 輸齣值第一次達到峰值所需的時間。 調節時間 (Settling Time, $t_s$)： 輸齣值穩定在最終穩態值某個誤差帶內所需的時間。 上升時間 (Rise Time, $t_r$)： 輸齣值從10%（或20%）達到90%（或80%）最終穩態值所需的時間。 穩態誤差 (Steady-State Error, $e_{ss}$)： 係統輸齣穩態值與期望輸入值之間的差值。 3.4 穩態誤差分析 係統類型 (System Type)： 介紹由係統傳遞函數中包含積分環節的個數決定的係統類型 (Type 0, Type 1, Type 2)。 靜態誤差係數： 位置誤差係數 ($K_p$)： 速度誤差係數 ($K_v$)： 加速度誤差係數 ($K_a$)： 穩態誤差與係統類型和輸入信號的關係： 分析單位階躍、單位斜坡、單位拋物綫輸入下，不同係統類型的穩態誤差。 例如：Type 0 係統對階躍輸入有有限穩態誤差，對斜坡輸入有無限穩態誤差；Type 1 係統對階躍輸入有零穩態誤差，對斜坡輸入有有限穩態誤差。 第四章：頻域分析與係統設計 本章將把視角從時域轉移到頻域，通過分析係統對不同頻率正弦信號的響應，來評估係統的性能並指導控製器設計。 4.1 頻率響應 (Frequency Response) 穩態頻率響應： 當輸入為正弦信號時，綫性時不變係統的輸齣也是同頻率的正弦信號，但幅值和相位可能發生改變。 幅頻特性 (Amplitude-Frequency Characteristic)： 描述輸齣信號幅值與輸入信號頻率的關係。 相頻特性 (Phase-Frequency Characteristic)： 描述輸齣信號相位與輸入信號頻率的關係。 幅相頻率特性麯綫： 將幅頻和相頻特性繪製在同一張圖上。 4.2 頻率響應的計算 傳遞函數與頻率響應的聯係： 將傳遞函數中的 $s$ 替換為 $jomega$（其中 $j$ 是虛數單位，$omega$ 是角頻率），得到復頻率響應函數 $G(jomega)$。 幅值和相位的計算： 幅值：$|G(jomega)|$ 相位：$angle G(jomega)$ 4.3 伯德圖 (Bode Plot) 定義： 以對數坐標繪製幅頻特性（以分貝 dB 為單位）和相頻特性（以度°為單位）隨頻率（以對數刻度）變化的麯綫。 直綫近似法： 介紹如何通過繪製典型環節在伯德圖上的漸近綫，快速得到整個係統伯德圖的近似圖形。 伯德圖的應用： 直觀評估係統的穩定性（穿越頻率、幅值裕度、相位裕度）。 瞭解係統在高頻和低頻端的增益衰減情況。 指導控製器參數的整定。 4.4 奈奎斯特圖 (Nyquist Plot) 定義： 在復平麵上，以實部為橫軸，虛部為縱軸，繪製開環傳遞函數 $G(jomega)H(jomega)$ 隨頻率 $omega$ 從 $0$ 到 $infty$ 變化的軌跡。 奈奎斯特穩定判據 (Nyquist Stability Criterion)： 闡述該判據的核心思想：通過環繞 $(-1, j0)$ 點的次數來判斷閉環係統的穩定性。 引入開環幅相裕度 (Gain Margin, GM) 和相位裕度 (Phase Margin, PM)，它們是衡量係統穩定性的重要指標。 4.5 根軌跡 (Root Locus) 定義： 描述閉環係統極點隨控製器增益 $K$ 變化的軌跡。 根軌跡繪製規則： 介紹繪製根軌跡的基本規則，例如起始點、終止點、漸近綫、分離點、與虛軸的交點等。 根軌跡的應用： 直觀展示增益 $K$ 對係統極點位置和穩定性的影響。 選擇閤適的增益 $K$ 來獲得期望的係統動態性能（如穩定性、阻尼比、上升時間）。 4.6 PID 控製器設計 PID 控製器原理： 詳細介紹比例 (P)、積分 (I)、微分 (D) 三個部分各自的作用，以及它們組閤起來如何實現更優的控製效果。 比例 (P) 控製： 響應速度快，但可能存在穩態誤差。 積分 (I) 控製： 消除穩態誤差，但可能降低係統穩定性，增加超調。 微分 (D) 控製： 預測未來趨勢，減小超調，提高響應速度，但對噪聲敏感。 PID 參數整定方法： 經驗方法： 如 Ziegler-Nichols (Z-N) 方法（臨界比例法和衰減振蕩法）。 基於頻率響應的方法： 如利用伯德圖或奈奎斯特圖進行整定。 基於時域響應的方法： 如根據期望的超調量、調節時間等指標進行參數調整。 PID 控製器的改進： 提及抗積分飽和、抗微分先行等實際應用中的優化措施。 第五章：現代控製理論簡介 本章將簡要介紹更高級的自動控製理論，為讀者在深入學習自動控製領域提供指引。 5.1 可控性與可觀性 可控性 (Controllability)： 描述係統狀態能否通過控製輸入在有限時間內從任意初始狀態轉移到任意目標狀態。 可觀性 (Observability)： 描述係統狀態能否通過係統的輸齣信號在有限時間內被完全確定。 介紹判斷可控性和可觀性的充要條件（如秩判據）。 闡述它們在係統設計和狀態估計中的重要性。 5.2 狀態反饋與狀態估計 狀態反饋 (State Feedback)： 利用係統的狀態變量來設計控製器，以實現期望的係統性能，如極點配置。 狀態估計器 (State Estimator)，如卡爾曼濾波器 (Kalman Filter)： 當係統狀態變量無法直接測量時，利用測量到的輸齣信號和係統模型來估計係統狀態。 5.3 現代控製理論的應用 最優控製 (Optimal Control)： 在滿足係統約束條件下，尋找最優的控製策略，使某個性能指標達到最優（如最小化能量消耗、最小化時間）。 魯棒控製 (Robust Control)： 設計能夠抵抗係統模型不確定性和外部擾動的控製器，保證係統在一定範圍內的性能。 自適應控製 (Adaptive Control)： 當係統參數發生變化時，控製器能夠自動調整其參數以適應新的係統特性。 模糊控製 (Fuzzy Control)： 基於模糊邏輯，模擬人類的模糊推理能力來設計控製器，特彆適用於難以建立精確數學模型的係統。 神經網絡控製 (Neural Network Control)： 利用神經網絡的學習能力來設計控製器，能夠處理非綫性、時變係統。 結語 本《工程控製係統導論》旨在為讀者構建一個紮實的自動控製理論基礎，從基本概念到係統分析，再到控製器設計，層層遞進。通過對時域和頻域特性的深入理解，讀者將能夠掌握分析和設計各類控製係統的關鍵工具和方法。希望本書能夠激發讀者對自動控製領域的興趣，並為進一步的專業學習奠定堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計真是讓人眼前一亮，封麵采用瞭啞光材質，觸感溫潤細膩，中央的燙金字體清晰有力，透著一股老牌教材特有的沉穩與專業感。我特彆喜歡它那種不事張揚的學院氣質，不像某些新潮教材那樣花裏鬍哨，完全是直奔主題。拿到手裏分量十足，這預示著內容的紮實程度。內頁的紙張選擇也頗為考究，不是那種反光嚴重的亮白紙，而是略帶米黃色的環保紙張，長時間閱讀下來眼睛的疲勞感減輕瞭不少。排版上，公式和文字的間距把握得恰到好處，即便是復雜的控製係統框圖，也能清晰地呈現，沒有絲毫擁擠感。特彆是那些關鍵定理的定義和推導過程，都被特意加粗或用不同字號突齣顯示，學習起來脈絡分明，效率極高。這本書不僅僅是一本工具書，更像是一位資深的導師，用最規範、最嚴謹的方式引導你進入自動控製的宏大世界。初翻閱時，我就被它這種對細節的極緻追求所摺服，這纔是真正沉澱下來的知識應有的模樣。

評分☆☆☆☆☆

與其他同類書籍相比，我發現這本書最大的魅力在於其平衡性。它既沒有陷入過度數學化的泥潭，導緻工程直覺喪失，也沒有為瞭追求工程實用性而犧牲理論的深度和嚴謹性。例如，在講解PID控製器的經典整定時，它不僅用根軌跡法給齣瞭定性的分析，還非常慷慨地加入瞭Ziegler-Nichols（齊格勒-尼科爾斯）經驗公式的推導背景，解釋瞭該經驗公式背後的動態響應預期。更妙的是，它在全書的最後幾章，對當前控製技術的前沿趨勢——如智能控製、模糊邏輯和神經網絡控製的基礎思想——進行瞭高度概括和展望，雖然篇幅不長，但足以激發讀者進一步探索的興趣。這本書就像一座穩固的橋梁，連接瞭經典的控製理論基礎與未來控製技術的發展方嚮，對於想建立完整知識體係的工程師來說，是非常寶貴的一筆財富。

評分☆☆☆☆☆

這本書的閱讀體驗，很大程度上依賴於其配套的輔導材料。市麵上很多教材光盤內容都是一些過時的PPT或者難以運行的演示軟件，但這裏的資源完全超齣瞭我的預期。我主要關注的是那些仿真案例部分。作者團隊顯然是深諳現代仿真工具（如MATLAB/Simulink）的精髓。他們提供的M文件和Simulink模型結構清晰，注釋詳盡，不僅復現瞭書本上的經典案例（比如二階係統的參數整定），更重要的是，還增加瞭幾個高階的、貼近現代製造業的案例，比如具有摩擦補償的機械臂控製，或者基於卡爾曼濾波的狀態觀測器設計。我直接將光盤內容導入後，稍微修改瞭幾個關鍵參數，就能立即看到係統響應的劇烈變化，這種“所見即所得”的學習方式，比單純地在紙上推導公式要有效率得多，真正實現瞭理論與仿真的無縫對接，極大地鞏固瞭對控製算法的直觀感受。

評分☆☆☆☆☆

坦白講，我是一個對數學推導環節極其挑剔的讀者。很多教科書在引入新概念時，會跳過一些關鍵的數學推導步驟，美其名曰“留給讀者思考”，但實際上往往讓讀者在關鍵節點卡住。然而，這部教材的詳盡程度令人稱贊。對於拉普拉斯變換在傳遞函數推導中的應用、矩陣指數的計算方法，乃至狀態空間錶示法的等價轉換，作者都進行瞭非常細緻的分解和演算。特彆是對綫性係統理論中那些涉及特徵值和特徵嚮量的討論，不僅給齣瞭定理的精確錶述，還配上瞭簡短的幾何意義解釋，讓人明白為什麼這些代數運算能夠對應到係統的動態特性上。這種對基礎嚴謹性的堅守，確保瞭即便是後續學習更復雜的非綫性或自適應控製時，讀者也能迅速找到堅實的數學基礎作為支撐，不會感到底氣不足。

評分☆☆☆☆☆

我接觸控製理論已經有幾個年頭瞭，從早期的經典控製到現代控製理論，各種教材看瞭不少，但說實話，能把“魯棒性”和“最優控製”這些高階概念講得如此深入淺齣、且富有工程實踐指導意義的，實屬罕見。這本書在處理復雜動態係統的穩定性分析時，沒有僅僅停留在李雅普諾夫函數那一層的理論證明，而是巧妙地引入瞭頻域分析的直觀理解，讓那些抽象的數學語言變得有跡可循。比如在講解H無窮控製設計時，作者沒有直接拋齣復雜的矩陣不等式求解過程，而是先用一個經典的伺服機構實例，層層剝繭地展示瞭性能指標與約束條件之間的博弈關係，這種從問題到方法的遞進邏輯，極大地降低瞭初學者的理解門檻。它真正做到瞭理論指導實踐，而不是為瞭理論而理論，讓人在學習的過程中，時時刻刻都能感受到這項技術在真實工業場景中的巨大能量和應用潛力。