自動控制原理與系統

根據教育部《關於加強高職高專教育人才培養工作的意見》精神，為滿足高職高專電子信息類專業教學基本建設的需要，在教育部高教司和教育部高職高專教育教學指導委員會的關心和指導下，於2002年11月在杭州召開了由電子工業出版社牽頭組織的全國高職高專機電信息類專業教材建設研討會。全國近百所高職高專院校100多位專家學者經過充分討論，一致確定新世紀高職高專教材應該遵循“淡化理論、加強應用、聯繫實際、突出特色”的總體編寫原則，同時落實了60本教材的編寫規劃和編寫任務，並組織了編寫班子和審訂了編寫大綱。本教材就是根據這次會議的基本精神和審定的編寫大綱組織編寫的新一輪全國高職高專規劃教材之一。

“自動控制原理與系統”課程是高職高專電子信息類專業的主要課程，其教學內容既包含作為專業基礎的自動控制原理部分，也涵蓋實踐性很強的自動控制系統部分，同時還受到教學時數的限制。為此，本教材在內容選取和編寫思路上力圖體現高職高專培養工業、工程生產第一線高等工程技術應用型人才的要求，力爭做到重點突出、概念清楚、層次清晰、深入淺出、簡明易學，力求達到緊密聯繫實際、學用一致的目的。

本教材的特點主要體現在下述兩個方面：一是體系組織方面，在原有同類教材基礎上進行了較大調整和擴充。全書可分為控制理論和控制系統兩大部分，對控制理論進行了刪削重組，把時域法和頻率特性統一整合成三性分析；同時對控制系統進行了類別增補，特別是增加了過程控制系統，既改變了以往系統類別過於單調的局面，也有效地擴大了教材應用面。二是內容取捨方面，主要介紹經典控制理論和常用控制系統，並且做到刪繁就簡，去舊推新，加強了對基本理論和應用的闡述，減少了公式和結論的理論推導過程，去掉了應用較少的根軌跡法，增添了應用日益普遍的、基於MATLAB的計算機輔助系統分析和優化設計的內容，既為教師進行CAI教學提供了條件，又使學生有機會掌握一種系統分析與設計的現代工具。

本教材由鄭州工業高等專科學校熊新民副教授擔任主編，由河北師範大學職業技術學院劉紅運、南京化工職業技術學院張泉擔任副主編，無錫職業技術學院的郭再泉副教授擔任本教材的主審。

本書第1, 2, 3章由熊新民編寫，第5, 6, 7章由劉紅運編寫，第4, 8, 9章由張泉編寫。全書由主編統稿，後又根據主審的意見進行了必要修改和定稿。

本教材的參考學時為60～80學時，適用於高職高專電子信息類各專業的教學需要，也可供相關工程技術人員參考。建議控制原理部分全講，控制系統部分可以根據學校性質和行業需要選講。如機電行業可以側重講授調速系統及相關內容，化工行業可以側重選講過程控制系統及相關內容，以求更具針對性。

書中錯誤和不妥之處，懇請廣大師生和讀者批評指正。

編 者

2003年4月

第1章 緒論

1.1 概述

1.2 自動控制與自動控制系統

1.2.1 自動控制系統的基本原理和基本概念

1.2.2 自動控制的基本方式

1.2.3 閉環控制系統的基本組成

1.2.4 自動控制系統的基本類型

1.2.5 對控制系統的基本要求

1.3 MATLAB軟件及其應用簡介

1.3.1 MATLAB的命令窗口

1.3.2 MATLAB中的命令函數和M文件

1.3.3 MATLAB中的變量和語句

1.3.4 MATLAB中的運算符

1.3.5 用MATLAB繪製響應曲線

1.3.6 Simulink簡介

本章小結

思考與練習題

第2章 控制系統的數學模型

2.1 控制系統的微分方程

2.1.1 控制系統微分方程的建立

2.1.2 控制系統微分方程的求解

2.2 控制系統的傳遞函數

2.2.1 傳遞函數的定義

2.2.2 傳遞函數的求取

2.2.3 傳遞函數的性質

2.3 控制系統的動態結構圖

2.3.1 動態結構圖的組成與畫法

2.3.2 動態結構圖的等效變換及簡化

2.3.3 用梅遜公式（S.J.Mason）求傳遞函數

2.4 控制系統的頻率特性

2.4.1 頻率特性的概念與定義

2.4.2 頻率特性的求取方法

2.4.3 頻率特性的表示方式

2.5 典型環節的數學模型和典型系統的傳遞函數

2.5.1 典型環節的數學模型

2.5.2 典型系統的傳遞函數

2.6 數學模型的MATLAB表示與變換

2.6.1 數學模型的MATLAB表示

2.6.2 數學模型的MATLAB變換

本章小結

思考與練習題

第3章 控制系統的性能分析

3.1 概述

3.1.1 典型輸入信號及其時間響應

3.1.2 高階系統的開環頻率特性

3.2 穩定性分析

3.2.1 系統穩定性的概念

3.2.2 線性系統穩定的充分必要條件

3.2.3 系統穩定性的代數判據

3.2.4 系統穩定性的頻域判據

3.2.5 系統穩定性的MATLAB分析法

3.3 動態性能分析

3.3.1 動態性能的時域分析

3.3.2 動態性能的頻域分析

3.3.3 動態性能的MATLAB分析

3.4 穩態性能分析

3.4.1 系統誤差與穩態誤差

3.4.2 穩態性能的頻域分析

本章小結

思考與練習題

第4章 控制系統的校正

4.1 系統校正概述

4.1.1 系統校正的概念

4.1.2 系統校正的方式

4.1.3 系統指標的確定

4.2 串聯校正

4.2.1 串聯校正裝置及其特性

4.2.2 串聯校正方法

4.3 反饋校正

4.3.1 反饋校正及效果

4.3.2 反饋校正方法

4.4 複合校正

4.4.1 按輸入補償的複合校正

4.4.2 按擾動補償的複合校正

4.5 自動控制系統的一般設計方法

4.5.1 設計自動控制系統的基本步驟

4.5.2 系統固有部分開環頻率特性的確定

4.5.3 系統預期開環對數頻率特性的確定

4.5.4 系統校正環節頻率特性的確定

4.5.5 系統校正示例

4.6 MATLAB在系統校正中的應用

本章小結

思考與練習題

第5章 直流調速系統

5.1 直流調速系統概述

5.1.1 直流調速系統的基本概念

5.1.2 直流調速方式

5.1.3 晶閘管直流調速系統的機械特性

5.1.4 生產機械對直流調速系統的要求及調速指標

5.2 單閉環調速系統

5.2.1 有靜差單閉環調速系統

5.2.2 無靜差單閉環調速系統

5.2.3 單閉環直流調速系統的限流保護

5.2.4 其他單閉環調速系統

5.2.5 檢測裝置

5.3 雙閉環直流調速系統

5.3.1 最佳過渡過程的基本概念

5.3.2 轉速電流雙閉環直流調速系統的原理結構和數學模型

5.3.3 雙閉環直流調速系統的靜特性分析

5.3.4 雙閉環直流調速系統的動特性分析

5.3.5 雙閉環直流調速系統的工程設計

5.4 可逆直流調速系統

5.4.1 直流調速系統的可逆線路

5.4.2 可逆直流調速系統中的環流分析

5.4.3 有環流可逆直流調速系統的回饋制動

5.4.4 邏輯控制無環流可逆直流調速系統

5.5 直流調速系統的MATLAB仿真分析與優化設計

5.6 直流調速系統的調試與維護

5.6.1 系統調試

5.6.2 系統的維護使用

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思考與練習題

第6章 直流脈寬調速系統

6.1 脈寬調製基本原理

6.1.1 脈寬調速原理及特點

6.1.2 不可逆PWM變換器

6.1.3 可逆PWM變換器

6.2 直流脈寬調速系統的控制電路

6.2.1 脈衝寬度調製器

6.2.2 邏輯延時及限流保護

6.2.3 驅動電路

6.3 直流脈寬調速系統實例分析

本章小結

思考與練習題

第7章 張力控制系統

7.1 張力控制系統概述

7.1.1 張力系統簡述

7.1.2 張力控制方案

7.1.3 張力控制的必要性

7.2 張力檢測的方法

7.2.1 直接檢測張力的方法

7.2.2 間接檢測張力的方法

7.3 直接反饋張力控制系統

7.4 擾動補償張力控制系統

本章小結

思考與練習題

第8章 位置隨動系統

8.1 位置檢測與位置驅動

8.1.1 位置檢測元件

8.1.2 相敏整流與濾波電路

8.1.3 放大電路

8.1.4 執行機構

8.2 位置隨動系統的控制方案和基本類型

8.2.1 位置隨動系統的控制方案

8.2.2 位置隨動系統的基本類型

8.3 位置隨動系統的控制性能與校正設計

8.3.1 系統組成及數學模型

8.3.2 系統的自動調節過程

8.3.3 系統的穩態性能分析

8.3.4 系統的動態性能分析

8.3.5 系統的校正設計

本章小結

思考與練習題

第9章 過程控制系統

9.1 過程控制系統概述

9.1.1 過程控制的概念

9.1.2 過程控制系統的組成與分類

9.1.3 過程控制系統的特點

9.1.4 過程控制系統的性能指標

9.2 過程參數的檢測與變送

9.2.1 測量誤差

9.2.2 檢測儀表的結構

9.2.3 温度檢測與變送

9.2.4 其他參量的檢測與變送

9.3 過程控制儀表

9.3.1 DDZ-Ⅲ型調節器

9.3.2 可編程調節器

9.3.3 執行器

9.4 單迴路過程控制系統

9.4.1 單迴路過程控制系統的原理結構

9.4.2 單迴路過程控制系統的特性分析

9.4.3 單迴路過程控制系統的選型分析

9.5 串級過程控制系統

9.5.1 串級控制系統的結構與模型

9.5.2 串級過程控制系統的特點與應用

9.5.3 串級過程控制系統的設計與調整

9.6 過程控制系統的其他形式

本章小結

思考與練習題

參考文獻