自動控制系統及應用

為適應現代製造業發展的需要，根據教育部提出的“高等職業教育為製造業和現代服務業培養高技能型緊缺人才的任務”，組織編寫了《普通高等教育應用型人才培養系列教材》。本書被列入該系列教材。

本書內容包括自動控制系統的一般概念、自動控制系統的基本部件、典型自動控制系統的定性分析、拉普拉斯變換、系統的數學模型、頻率特性、自動控制系統的穩定性分析、自動控制系統的穩態性能分析、瞬態響應分析、自動控制系統的校正等。

本書力求突出針對性和實用性，理論分析以適度夠用為限。在講清基本概念的前提下，注重介紹分析的思路和方法，以求幫助讀者學會應用控制理論來解決工程的實際問題。

本書可供高等職業技術學院、高等專科學校、成人和民辦高校機電、模具、數控等專業的學生作為教材，亦可供有關工程技術人員參考。

本書根據教育部提出的“高等職業教育為製造業和現代服務業培養高技能型緊缺人才”的任務而編寫。

本書的架構是以自動控制系統為主，自動控制理論作為分析的方法和工具，着眼於系統性能分析和系統性能改進。本書圍繞自動控制系統的一般概念、系統組成、工作原理、分析思路、分析方法、改善系統性能的途徑以及分析所得的主要結論在實際中的應用而 展開。

考慮到高等職業教育側重技術應用的特點，教材力求突出針對性和實用性，理論分析以適度夠用為限。

應指出，控制理論不僅是一門重要的學科，而且是一門卓越的方法論。它提出、思考、分析與解決問題的思想方法是符合唯物辯證法的。在學習中，既要十分重視抽象思維，瞭解一般規律，又要充分注意結合實際；既要善於從個性中概括出共性，又要善於從共性出發深刻了解個性。學會運用控制理論的方法去抽象與解決實際問題，去開拓提出、分析與解決問題的思路。限於學時等原因，本課程還只能為此打下一個初步的基礎。只有學會提出問題、思考問題，並掌握正確的分析問題、解決問題的思路和方法，才會有所 創新。

本書由南昌大學肖安昆教授(負責第1、9、10章)、劉玲騰講師(負責3、5、6、7、8章)顧麗謹同志(負責第2、4章及全書的圖表製作)共同討論編寫，肖安昆教授負責全書的統稿和定稿。南昌大學餘桂英副教授、京玉海副教授提出了許多建議和幫助。

限於編者水平有限，加上時間倉促，本書的謬誤與不足之處在所難免。編者切望廣大師生和讀者不吝指教，提出批評建議，我們由衷地歡迎與感激。

編者

2004年10月

第1章 自動控制系統的一般概念 1

1.1 自動控制的含義 1

1.2 自動控制系統的基本原理 1

1.2.1 自動控制系統的基本原理 1

1.2.2 開環控制系統和

閉環控制系統 3

1.3 自動控制系統的基本組成 5

1.4 自動控制系統的基本類型 6

1.4.1 按照輸入量的變化

規律來分 7

1.4.2 按照系統傳遞信號

對時間的關係來分 7

1.4.3 按照系統輸出量和

輸入量的關係來分 7

1.5 對自動控制系統的基本要求 8

1.6 習題 9

第2章 自動控制系統的基本部件 10

2.1 常用的檢測元件 10

2.1.1 温度檢測元件 10

2.1.2 線位移檢測元件 13

2.1.3 角位移檢測元件 16

2.1.4 轉速檢測元件 20

2.2 伺服電動機 22

2.2.1直流伺服電動機 22

2.2.2 交流伺服電動機 24

2.3 晶閘管直流交流調壓電路 26

2.3.1晶閘管 26

2.3.2 單相橋式全控整流電路 28

2.3.3 三相可控整流電路 31

2.3.4 晶閘管的觸發電路與

保護電路 34

2.3.5 交流調壓電路 40

2.4 大功率晶體管脈寬調製

(PWM)型直流調壓電路 43

2.4.1 DC—DC變換器 43

2.4.2 大功率晶體管 44

2.4.3 大功率晶體管脈寬

調製型直流調壓電路 47

2.5 正弦脈寬調製的交—直—交

變壓變頻電路 51

2.5.1 電路的組成 51

2.5.2 正弦脈寬調製(SPWM)交流

變壓變頻電路的基本原理 52

2.6 常用的調節器 55

2.6.1 比例(P)調節器 55

2.6.2 積分(I)調節器 56

2.6.3 比例積分(PI)調節器 57

2.6.4 比例積分微分(PID)調節器 58

2.7 習題 59

第3章 典型自動控制

系統的工作原理 61

3.1 水位控制系統 61

3.1.1 系統的組成 61

3.1.2 系統的工作原理 62

3.2 具有轉速負反饋的晶閘管

直流調速系統 62

3.2.1 系統的組成 63

3.2.2 系統的工作原理 64

3.3 具有電壓負反饋和電流正反饋的

晶閘管直流調速系統 65

3.3.1 電壓負反饋調速系統 65

3.3.2 電壓負反饋和電流正

反饋的直流調速系統 66

3.4 轉速與電流雙閉環直流調速系統 67

3.4.1 系統的組成 67

3.4.2 系統的工作原理 69

3.5 晶閘管交流調壓位置隨動系統 71

3.5.1 系統的組成 71

3.5.2 系統的工作原理 73

3.5.3 位置隨動系統與

調速系統的比較 74

3.6 全控型電力電子器件組成的

SPWM變壓變頻調速系統 74

3.6.1 變頻調速的基本控制方式 74

3.6.2 模擬式SPWM變壓

變頻調速系統 76

3.6.3 微機控制的SPWM

變壓變頻調速系統簡介 77

3.7 習題 78

第4章 拉普拉斯變換 80

4.1 拉氏變換 80

4.1.1 拉氏變換的定義 80

4.1.2 典型時間函數的拉氏變換 80

4.2 拉氏變換的性質 84

4.2.1 線性性質 84

4.2.2 實數域的位移定理

(延時定理) 85

4.2.3 複數域的位移性質

(平移定理) 86

4.2.4 相似性質 86

4.2.5 原函數導數的象函數

(微分定理) 87

4.2.6 原函數積分的象函數

(積分定理) 87

4.2.7 終值定理 88

4.2.8 初值定理 88

4.2.9 卷積定理 89

4.3 拉氏反變換 89

4.3.1 拉氏反變換的概念 89

4.3.2 部分分式展開法 90

4.4 用拉氏變換解線性定常微分方程 93

4.5 習題 95

第5章 系統的數學模型 51

5.1 傳遞函數 51

5.1.1 傳遞函數的定義 51

5.1.2 傳遞函數的求法 52

5.1.3 傳遞函數的性質 54

5.2 典型環節的傳遞函數 55

5.2.1 比例環節 55

5.2.2 慣性環節 56

5.2.3 微分環節 57

5.2.4 積分環節 59

5.2.5 振盪環節 61

5.2.6 延時環節 63

5.3 系統的傳遞函數方框圖及其簡化 64

5.3.1 傳遞函數方框圖 64

5.3.2 傳遞函數方框圖的

等效變換 67

5.3.3 直流電動機與伺服

電動機的傳遞函數 71

5.4 反饋控制系統的傳遞函數 72

5.4.1 輸入量作用下系統傳遞

函數和系統的輸出 73

5.4.2 擾動量作用下的閉環

傳遞函數和系統的輸出 73

5.4.3 輸入量和擾動量同時

作用時系統總的輸出 73

5.5 典型自動控制系統的數學模型 74

5.5.1 水位控制系統 74

5.5.2 具有轉速負反饋的

直流調速系統 75

5.5.3 轉速及電流雙閉環

直流調速系統 75

5.5.4 位置隨動系統 75

5.6 習題 76

第6章 頻率特性 78

6.1 頻率特性的基本概念 78

6.1.1 頻率響應與頻率特性 78

6.1.2 頻率特性與傳遞函數

的關係 79

6.1.3 頻率特性的求法 81

6.2 頻率特性的圖示方法 82

6.2.1 頻率特性的極座標圖 82

6.2.2 頻率特性的對數座標圖 83

6.3 最小相位系統和非最小相位系統 95

6.3.1 最小相位傳遞函數與

最小相位系統 95

6.3.2 產生非最小相位的環節 97

6.4系統的閉環頻率特性 97

6.4.1 閉環頻率特性 97

6.4.2 頻率特性的特徵量 99

6.5 習題 100

第7章 自動控制系統的穩定性分析 105

7.1 系統穩定性的初步概念 105

7.1.1 穩定的概念和定義 105

7.1.2 造成系統不穩定的原因 106

7.1.3 系統穩定的充要條件 106

7.2 勞斯穩定判據 107

7.3 奈奎斯特穩定判據 110

7.3.1 奈奎斯特穩定判據 111

7.3.2 奈氏判據應用舉例 112

7.3.3 穿越的概念 115

7.3.4 對數頻率判據 115

7.4 系統的相對穩定性 116

7.4.1 相位裕量 118

7.4.2 幅值裕量 118

7.5 典型自動控制系統穩定性分析 118

7.5.1 二階系統的穩定性分析 119

7.5.2 典型三階系統的

穩定性分析 120

7.5.3 延遲環節對系統

穩定性的影響 123

7.6 習題 125

第8章 自動控制系統的

穩態性能分析 127

8.1 系統穩態誤差的概念 127

8.1.1 系統的誤差

與偏差 127

8.1.2 誤差的一般計算 128

8.1.3 系統的穩態誤差和

穩態偏差 129

8.2 與輸入信號有關的穩態誤差 129

8.2.1 跟蹤穩態誤差essr 129

8.2.2 與系統結構參數

的關係 130

8.2.3 與之間的系統 131

8.2.4 由系統開環對數頻率特性

分析系統的穩態性能 133

8.3 擾動作用下的穩態誤差 133

8.3.1 擾動穩態誤差的求取 133

8.3.2 擾動穩態誤差與系統

結構參數間的關係 134

8.4 系統穩態性能分析舉例 135

8.5 習題 138

第9章 瞬態響應分析 140

9.1 時間響應的概念 140

9.1.1 控制系統典型的輸入信號 140

9.1.2 瞬態響應和穩態響應 140

9.2 一階系統的時間響應 141

9.2.1 一階系統的數學模型 141

9.2.2 一階系統的單位階躍響應 142

9.2.3 一階系統的單位脈衝響應 143

9.2.4 響應之間的關係 144

9.3 二階系統的時間響應 144

9.3.1 典型二階系統的數學模型 144

9.3.2 二階系統的單位階躍響應 146

9.4 瞬態響應的性能指標 148

9.4.1 性能指標及其計算 148

9.4.2 二階系統計算舉例 152

9.5 頻域性能指標與時域性能

指標間的關係 155

9.5.1 相對諧振峯值與控制系統

振盪性能指標間的關係 155

9.5.2 諧振頻率及帶寬與時域

性能指標間的關係 157

9.5.3 相位裕量及穿越頻率與時

域性能指標之間的關係 159

9.6 習題 161

第10章 自動控制系統的校正 163

10.1 系統的校正 163

10.1.1 校正的含義 163

10.1.2 校正的實質 163

10.1.3 校正方式 164

10.2 串聯校正 165

10.2.1 相位超前校正 166

10.2.2 相位滯後校正 169

10.2.3 相位滯後—超前校正 173

10.3 PID校正 175

10.3.1 PID控制規律分析 177

10.3.2 PID調節器的設計 180

10.4 反饋校正 184

10.4.1 反饋校正的作用 184

10.4.2 反饋校正應用舉例 185

10.5 順饋補償 187

10.5.1 輸入順饋補償 187

10.5.2 擾動順饋補償 188

10.6 習題 189

參考文獻 193 ^[1]