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自动控制原理 第五版 PDF 科学出版社
内容简介 本书系《自动控制原理》第五版,比较全面地闸述了自动控制的基本理论与应 用。全书共分十章,前八章着重介绍经典控制理论及应用,后两章介绍现代控制理 进深 论中的线性系统理论和最优控制理论。 本书精选了第四版中的主要内容,加强了对基本理论及其工程应用的阐述。书 中深入浅出地介绍了自动控制的基本概念,控制系统在时域和复域中的数学模型 及其结构图和信号流图;比较全面地阐述了线性控制系统的时域分析法、根轨迹 法、频域分析法以及校正和设计等方法;对线性离散系统的基础理论、数学模型、稳 定性及稳态误差、动态性能分析以及数字校正等问题,进行了比较详细的讨论;在 非线性控制系统分析方面,给出了相平面和描述函数两种常用的分析方法,对目前 应用日益增多的非线性控制的逆系统方法也作了较为详细的介绍;最后两章根据 高新技术发展的需要,系统地阐述了线性系统的状态空间分析与综合,以及动态系 统的最优控制等方法。书末给出的三个附录,可供读者在学习中查询。 与本书配套的课件《自动控制原理电子版50》科学出版社,2007),利于满足 教学需要。此外,与本书配套的教材《自动控制原理习题解析》科学出版社,2007) 其中附赠光盘《 MATLAB辅助分析与设计软件1.0》。 本书1985年被评为航空工业部优秀教材,1988年被评为全国优秀教材,1993 年起三次获得国家级教学成果二等奖,2006年被批准列为普通高等教育“十一五” 国家级规划教材,2008年被评为普通高等教育国家级精品教材 本书可作为高等工业院校自动控制、工业自动化、电气自动化、仪表及测试、机 械、动力冶金等专业的教科书,亦可供从事自动控制类的各专业工程技术人员自 学参考。 图书在版编目(CIP)数据 自动控制原理/胡寿松主编.-5版一北京:科学出版社,2007 普通高等教育“十一五”国家级规划教材·《自动控制原理(第五版)》立体化教材 ISBN978-7-03-018955-4 .自…I.胡…Ⅱ,自动控制理论高等学校教材Ⅳ:TP13 中国版本图书馆CIP数据核字(2007)第066675号 责任编辑:李淑兰马长芳刘俊来匡敏/责任校对:朱光光 责任印制:张克忠/封面设计:耕者创作室 鲁☆癥盐出版 北京东黄城根北街16号 邮政编码:1007 http://www.sciencep.com 铭陪彩色卯装有限公司印刷 科学出版社发行各地新华书店经销 1979年12月第一版开本:787×10921/16 1984年6月第二版印张:431/4 1994年5月第三版字数:1040000 2001年2月第四版印数:458001~488000 2007年6月第五版2010年6月第三十八次印刷 定价:52.00元 (如有印装质量问题,我社负责调换) 第五版前言 自动控制技术已广泛应用于制造业、农业、交通、航空及航天等众多产业部门,极大地提高了 社会劳动生产率,改善了人们的劳动环境,丰富和提高了人民的生活水平在今天的社会生活中, 自动化装置无所不在,为人类文明进步做出了重要贡献:20世纪90年代,实现了万米深海探测, 通信和金融业已接近全面自动化,哈勃太空望远镜为研究宇宙提供了前所未有的机会,2004年 美国研制的勇气号和机遇号火星探测器胜利地完成了火星表面的实地探测。 在控制技术需求推动下,控制理论本身也取得了显著进步。从线性近似到非线性系统的研究 取得了新的成就,借助微分几何的固有非线性框架来研究非线性系统的控制,已成为目前重要的 研究方向之一;离散事件动态系统理论的形成,扩展了对离散系统的描述和分析能力;分布参数 系统的研究又有了新的突破;不确定性H控制及系统对外扰的鲁棒性分析和设计已扩展到无穷 维空间。实践证明,系统或参数识别技术对加工随机信息具有不可替代的应用价值。自适应、自 校正、自修复、自组织系统的研究和应用又有了新的发展。 为了适应控制技术和控制理论发展形势的需要,我们对2001年出版的《自动控制原理》(第 四版)进行了全面修订。这次修订,除保持本书深入浅出、理论严谨、系统性强以及便于自学的特 点外,突出了工程系统设计应用,并引入了 MATLAB软件包应用技术,加强了系统建模的内容, 增加了目前应用日益增多的PID鲁棒控制、內模控制、最小节拍响应控制、前置滤波器控制、经典 与现代方法相结合的优化控制等内容,此外配套出版了《自动控制原理习题解析》和《自动控制原 理电子版5.0》光盘及《 MATLAB辅助分析与设计软件1.0》光盘,以利于读者掌握和发展控制理 论与应用技术并获得升华,力求奉献给读者一本较完美的控制理论与应用教科书。我们坚信,本 书对培养读者的辩证思维能力和创新能力,树立理论联系实际的科学观点,以及提高综合分析问 题的能力等方面,都具有重要的作用。 本书至今已有近30年的历程。在广大读者的支持、关心和爱护下,本书获得了众多殊荣: 1985年,本书获航空工业部优秀教材奖;1988年,获国家级优秀教材奖;1993年、1997年和2005 年,三次获国家级教学成果二等奖;2002年被评为全国优秀畅销书(科技);2003年被评为国家级 精品课程主干教材;2006年,本书第五版被批准列为普通高等教育“十一五”国家级规划教材,并 于2008年被评为国家级精品教材。 本书第五版由南京航空航天大学胡寿松教授主编,参加编写工作的还有昊庆宪、李言俊和陶 洪峰。应当指出,本书从初版至第五版,是一个不断完善、不断提高的过程,本书第一至第四版的 不少作者,或者由于退休,或者由于工作调动等原因而不再参与第五版的工作,但他们对本书的 贡献是不可磨灭的。在此,谨向曾参与本书各版编写的教授们表示感谢,他们是徐缤昌、陈新海、 周风歧、林其璈、阙志宏、胡干跃、程鹏、沈程智、林代业、田林、孟宪蔷等教授。我们还要特别感谢 中国科学院院土杨嘉墀先生、冯纯伯先生和吴宏鑫先生,他们在百忙中对本书提出了建设性指导 意见。此外我们还要感谢戴冠中、郑应平、张明廉、王执铨、胡维礼、史维、胡裕德、姚琼荟、何亚群、 刘亚、夏良正、吴晓蓓等教授对本书的关心和帮助 对于本版中存在的错误和不妥之处,继续恳请广大读者不吝指正 胡寿松 2006年11月 目录 第五版前言 第一章自动控制的一般概念 1-1自动控制的基本原理与方式……… 题·告“t节量音即自即●·。看●··●。命· 1-2自动挖制系统示例… 1-3自动控制系统的分类 ●●●····垂●·●办·●●·。。p●●兽·。●●···。●鲁萨●自。b鲁 1-4对自动控制系统的基本要求 ●●●··◆·●·。@·●。···●···自●·。··.·。●阜·。●p 13 1-5自动控制系统的分析与设计工具 习题 ●··●。●p·办自●●·●办自。●●●看即D●●●看·。中命电q收兽专鲁命Dp●·d·●· ●●··●●●.要。曲自鲁●●鲁D参●●●鲁鲁 18 第二章控制系统的数学模型 ●●曲·●●●·●。·单自·●。·非●·。·●身非@命鲁·非●·。。··●中·●·。●●·自●··非●●鲁●步● 21 2-1控制系统的时域数学模型 21 2-2控制系统的复数域数学模型………………………………………………………………29 2-3控制系统的结构图与信号流图 40 2-4控制系统建模实例 61 习题………………………………………………………………………………64 第三章线性系统的时域分析法 ●···日非b最。·●●·。●·。自鲁自●司曾售●鲁·非。●●看 3-1系统时间响应的性能指标 3-2一阶系统的时域分析… 73 3-3二阶系统的时域分析… ……………………………76 3-4高阶系统的时域分析 93 35线性系统的稳定性分析…… ·●自·····鲁·。·●暴自p··自辛普音命●鲁 98 3-6线性系统的稳态误差计算 107 3-7控制系统时域设计 ………121 习题… 非●·●命自●●咖●。自自。。。●◆·咖●。。自◆。·鲁自··即鲁●看』。自自●D· 。·单命非··。看命电·售鲁鲁···● …135 第四章线性系统的根轨迹法 144 4-1根轨迹法的基本概念 144 4-2根轨迹绘制的基本法则…………………………………………………………147 4-3广义根轨迹… 159 4-4系统性能的分析……………………………………………………………167 4-5控制系统复域设计… 中。●p·鲁鲁●鲁看 ●·●●·· 170 习题 180 第五章线性系统的频域分析法…………………………………………………187 5-1频率特性 ……187 5-2典型环节与开环系统的频率特性 ·····“········.······“··· 5-3频率域稳定判据 206 5-4稳定裕度 214 5-5闭环系统的频域性能指标… ……………………………………217 5-6控制系统频域设计 228 习题 ●香····●●·●自香●●看●●● 237 第六章线性系统的校正方法……………………………………………………………243 6-1系统的设计与校正问题… ●·鲁··非●●·鲁●●● 243 6-2常用校正装置及其特性…………………………………………………249 6-3串联校正 D····命命···4·鲁●······鲁●●····.···即鲁。····●·鲁自鲁鲁号··。非●非垂●·●●鲁.●·自鲁●自鲁 257 6-4反馈校正 s·271 6-5复合校正… 275 6-6控制系统校正设计…… 毒●口·●·●●●鲁 …………………282 习题 296 第七章线性离散系统的分析与校正 305 7-1离散系统的基本概念… 鲁自····非·非···自··自·省····D·●●●。● ……305 7-2信号的采样与保持… 7-3z变换理论………………………………………………………………………319 7-4离散系统的数学模型…………………………………………………………331 7-5离散系统的稳定性与稳态误差 ………348 7-6离散系统的动态性能分析………………………………………………………………358 7-7离散系统的数字校正…………………………………………………………364 7-8离散控制系统设计 373 习题 ●●。鲁 …………380 第八章非线性控制系统分析… p。·●鲁●●鲁 386 8-1非线性控制系统概述… 386 8-2常见非线性特性及其对系统运动的影响 389 8-3相平面法… ·········a··●·······················‘·········=··········● 393 8-4描述函数法… 408 8-5非线性控制的逆系统方法 ……………………………………423 8-6非线性控制系统设计……… 426 习题 435 第九章线性系统的状态空间分析与综合 ……………440 9-1线性系统的状态空间描述 ●··鲁●单鲁·······身····垂日·自非●●。·。自··abb 440 9-2线性系统的可控性与可观测性 ●●●着●p 468 线性定常系统的反馈结构及状态观测器 。曾自·自··。··鲁 ……500 9-4李雅普诺夫稳定性分析 ····日·●·····●····●··a● 513 9-5控制系统状态空间设计… …520 习题………………………………………………………………………534 ●1V· 第士章动态系统的最优控制方法… ………543 10-1最优控制的一般概念 543 10-2最优控制中的变分法………………………………………………547 10-3极小值原理及其应用… b。p 563 10-4线性二次型问题的最优控制 584 10-5动态规划……………………………………………………………………………600 10-6.控制系统优化设计… s613 习题 622 参考文献 9●····。◆··。·●命●·●●·●。·。●自●●。··自自鲁。·。●●看●●自命d。s;tp·自咖。·看。b ……·628 附录A傅里叶变换和拉普拉斯变换 630 附录B矩阵微分法………………………………………………………………645 附录 C MATLAB辅助分析与设计法 652 第一章自动控制的一般概念 1-1自动控制的基本原理与方式 1.自动控制技术及其应用 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,是指 在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器)使机器、设备或生 产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控量)自动地按照预定的规律运行。例如,数 控车床按照预定程序自动地切削工件;化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定;雷达和计算机 组成的导弹发射和制导系统,自动地将导弹引导到敌方目标;无人驾驶飞机按照预定航迹自动升 降和飞行;人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收等,这一切都是以应用高水平的自动控制技 术为前提的。 近几十年来,随着电子计算机技术的发展和应用,在宇宙航行、机器人控制、导弹制导以及核 动力等高新技术领域中,自动控制技术更具有特别重要的作用。不仅如此,自动控制技术的应用 范围现已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他许多社会生活领域中,自动控制已成为现代社 会活动中不可缺少的重要组成部分 2.自动控制科学 自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。它的诞生与发展源于自动控制技术的 应用。 最早的自动控制技术的应用,可以追溯到公元前我国古代的自动计时器和漏壶指南车,而自 动挖制技术的广泛应用则开始于欧洲工业革命时期。英国人瓦特在发明蒸汽机的同时,应用反馈 原理,于1788年发明了离心式调速器。当负载或蒸汽供给量发生变化时,离心式调速器能够自动 调节进汽阀门的开度,从而控制蒸汽机的转速。1868年,以离心式调速器为背景,物理学家麦克 斯韦尔研究了反馈系统的稳定性问题,发表了“论调速器”论文。随后,源于物理学和数学的自动 控制原理开始逐步形成。1892年,俄国学者李雅普诺夫发表了“论运动稳定性的一般问题”的博 士论文,提出了李雅普诺夫稳定性理论。20世纪10年代,PID控制器出现,并获得广泛应用。 1927年,为了使广泛应用的电子管在其性能发生较大变化的情况下仍能正常工作,反馈放大器 正式诞生。从而,确立了“反馈”在自动控制技术中的核心地位,并且有关系统稳定性和性能品质 分析的大量研究成果也应运而生。 20世纪40年代,是系统和控制思想空前活跃的年代,1945年贝塔朗菲提出了《系统论》, 1948年维纳提出了著名的《控制论》,至此形成了完整的控制理论体系—以传递函数为基础的 经典控制理论,主要研究单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题 20世纪50~60年代,人类开始征服太空,1957年,苏联成功发射了第一颗人造地球卫星, 1968年美国阿波罗飞船成功登上月球。在这些举世瞩目的成功中,自动控制技术起着不可磨灭 的作用,也因此催生了20世纪60年代第二代控制理论一现代控制理论的问世,其中包括以状

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