自动控制原理知识要点及典型习题详解(李书臣) pdf epub mobi txt 电子书 下载 在线阅读 2026

基本信息

书名：自动控制原理知识要点及典型习题详解(李书臣)

定价：28.00元

作者：李书臣

出版社：化学工业出版社

出版日期：2011-10-01

ISBN：9787122120380

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.359kg

编辑推荐

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李书臣主编的本书共9章。章介绍了自动控制系统常用的术语和概念，并给出了从控制系统到方框图转换的多个实例分析。第2章介绍了数学模型的概念，并重点对传递函数分析和方框图、梅逊公式的数学模型简化方法进行了详细讨论。第3章介绍了线性系统的时域分析方法，并重点对系统的稳定性、快速性、准确性分析方法做了讨论。第4章介绍了系统的根轨迹方法，对根轨迹作图及分析系统性能做了讨论。第5章介绍了频率响应法，重点讲解了频率特性作图、分析方法，并且给出了截止频率、相位裕量的计算方法。第6章介绍了线性系统的校正方法，涉及串联频率法校正，给出了校正网络设计方法和稳定裕量验算方法。第7章介绍了有关采样控制系统的计算问题。第8章介绍了非线性系统的描述函数和相平面分析法。第9章介绍了线性系统的可控性、可观测性、稳定性、实现、极点配置等内容。　　本书选材力求内容全面、分析透彻,例题具有的代表性，并且给出多种解法，帮助读者分析*简单的解题步骤。特别推荐：本书配套教材为 《自动控制原理(王永骥)(二版)》

内容提要

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　　本书包括现在通行的“自动控制原理”课程的基本内容，本书分9章，每一章都列出该章整体的知识结构图，并列出重点和难点以及基本要求，然后进行典型例题讲解，讲明知识考查点，后是测试题，题型有填空题、单选题、简答题、综合计算题等，学生可以自本书主要供自动化及相关专业的本科生正常上课时同步学习和期末考试复习使用，也可以作为研究生入学考试复习用书。

目录

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1 自动控制的一般概念
1.1 知识要点
1.1.1 知识结构图
1.1.2 知识重点
1.1.3 知识难点
1.1.4 基本要求
1.2 典型习题详解
1.3 测试题及答案

2 自动控制系统的数学模型
2.1 知识要点
2.1.1 知识结构图
2.1.2 知识重点
2.1.3 知识难点
2.1.4 基本要求
2.2 典型习题详解
2.3 测试题及答案

3 控制系统的时域分析法
3.1 知识要点
3.1.1 知识结构图
3.1.2 知识重点
3.1.3 知识难点
3.1.4 基本要求
3.2 典型习题详解
3.3 测试题及答案

4 根轨迹法
4.1 知识要点
4.1.1 知识结构图
4.1.2 知识重点
4.1.3 知识难点
4.1.4 基本要求
4.2 典型习题详解
4.3 测试题及答案

5 频率响应法
5.1 知识要点
5.1.1 知识结构图
5.1.2 知识重点
5.1.3 知识难点
5.1.4 基本要求
5.2 典型习题详解
5.3 测试题及答案

6 线性系统的校正方法
6.1 知识要点
6.1.1 知识结构图
6.1.2 知识重点
6.1.3 知识难点
6.1.4 基本要求
6.2 典型习题详解
6.3 测试题及答案

7 采样系统理论
7.1 知识要点
7.1.1 知识结构图
7.1.2 知识重点
7.1.3 知识难点
7.1.4 基本要求
7.2 典型习题详解
7.3 测试题及答案

8 非线性系统分析法
8.1 知识要点
8.1.1 知识结构图
8.1.2 知识重点
8.1.3 知识难点
8.1.4 基本要求
8.2 典型习题详解
8.3 测试题及答案

9 状态空间分析法
9.1 知识要点
9.1.1 知识结构图
9.1.2 知识重点
9.1.3 知识难点
9.1.4 基本要求
9.2 典型习题详解
9.3 测试题及答案
参考文献

作者介绍

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文摘

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序言

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《自动控制原理》是自动控制领域的一本经典著作，系统地阐述了自动控制系统的基本理论、分析方法和设计技术。本书深入浅出，条理清晰，既有扎实的理论基础，又贴近实际工程应用，是学习和研究自动控制的理想教材。 第一部分 自动控制系统基础 1. 自动控制系统的基本概念与组成 定义与分类： 什么是自动控制？它在现代科技和生产中的作用是什么？自动控制系统按信号性质可分为连续系统和离散系统，按系统结构可分为开环系统和闭环系统。 闭环控制的优势： 为什么闭环控制比开环控制更具优势？（例如，抵抗扰动、提高精度、消除模型不确定性等） 基本组成部分： 一个典型的闭环控制系统由哪些环节组成？（被控对象、传感器、控制器、执行器、比较器/控制器等）它们各自的功能和作用是什么？ 框图表示： 如何用框图来直观地表示自动控制系统的结构和信号流？（前向通路、反馈通路、负反馈、正反馈） 2. 自动控制系统的数学模型 模型的重要性： 为什么我们需要对自动控制系统建立数学模型？数学模型在分析和设计中的作用是什么？ 动态系统的描述： 如何描述一个系统的动态特性？ 微分方程： 线性定常系统的基本描述方式，如何从物理原理（如牛顿第二定律、电路定律、质量-弹簧-阻尼系统等）推导微分方程？ 传递函数： 拉普拉斯变换在系统建模中的作用。什么是传递函数？它如何反映系统的输入输出关系？传递函数的性质和局限性。 零输入响应与零状态响应： 传递函数如何与系统的响应联系起来？ 框图代数： 如何利用传递函数对复杂系统的框图进行简化和运算？（串联、并联、反馈等） 常见系统的模型： 机械系统： 质量-弹簧-阻尼系统、旋转系统（电机、齿轮传动等）的建模。 电气系统： RC电路、RL电路、RLC电路、电机（直流电机、交流电机）的建模。 液压/气动系统： 简单液压缸、液压马达的建模。 热系统： 简单加热炉的建模。 系统类型： 什么是惯性环节、振荡环节、比例环节、积分环节、微分环节？它们的传递函数形式和时域响应特性。 传递函数与系统结构： 如何根据系统结构确定传递函数？（例如，串联、并联、反馈结构） 3. 时域分析 单位阶跃响应： 为什么单位阶跃响应是分析系统动态性能的重要手段？ 暂态响应指标： 延迟时间（td）： 信号达到目标值一半所需的时间。 上升时间（tr）： 信号从10%上升到90%（或20%到80%）所需的时间，反映了系统的响应速度。 达到时间（ts）： 信号首次达到稳态值并维持在稳态值一定范围内（如±2%或±5%）所需的时间，反映了系统的快慢。 峰值时间（tp）： 信号第一次达到峰值所需的时间。 超调量（σ%）： 峰值与稳态值之差占稳态值的百分比，反映了系统的振荡程度。 调整时间（ts）： （与达到时间相似，强调进入稳态的持续时间） 稳态误差： 定义： 系统在输入信号作用下，经过长时间后输出信号与输入信号之间的差值。 系统类型： 什么是系统类型（Type 0, Type 1, Type 2等）？系统类型如何影响稳态误差？ 静态误差系数： 位置误差系数Kp、速度误差系数Kv、加速度误差系数Ka。它们与系统类型和传递函数的关系，以及如何评价系统的稳态精度。 一阶系统和二阶系统的时域响应： 一阶系统： 时间常数τ对响应速度和超调量的影响。 二阶系统： 阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn对响应特性的影响。不同的阻尼比（欠阻尼、临界阻尼、过阻尼、无阻尼）对应的响应曲线形状。 更复杂系统的时域分析： 如何通过分解、近似等方法分析高阶系统的时域响应？ 第二部分 自动控制系统的稳定性分析 1. 稳定性概念 定义： 什么是稳定性？（有界输入有界输出 BIBO稳定性，或称外部稳定性；以及内部稳定性，即所有模态都是指数衰减的） 不稳定性： 不稳定系统的危害性。 临界稳定性： 振荡系统。 2. 特征方程与极点 特征方程： 什么是系统的特征方程？它与系统的闭环传递函数有什么关系？ 系统极点： 什么是系统的极点？它们是特征方程的根。 极点位置与稳定性： 极点在s平面上的位置如何决定系统的稳定性？ 左半平面： 稳定。 虚轴上： 临界稳定（若无重根）。 右半平面： 不稳定。 虚轴上的重根： 不稳定。 3. 劳斯稳定性判据 原理： 如何利用劳斯表（Routh array）来判断特征方程的根在s平面上的分布，从而判断系统的稳定性？ 劳斯表的构建： 具体步骤和系数的计算方法。 特殊情况： 劳斯表中出现零行或某列元素为零时如何处理？ 稳定性判断： 根据劳斯表中第一列元素的符号来判断稳定性。 界限稳定性： 如何确定临界稳定时的参数范围？ 4. 根轨迹法 根轨迹概念： 什么是根轨迹？它描述了系统闭环极点随开环增益k（或其他参数）变化的轨迹。 根轨迹方程： 如何构建根轨迹方程？（1 + KG(s)H(s) = 0） 绘制根轨迹的基本法则： 起止点： 根轨迹起点在开环零点，终点在开环极点。 实轴对称性： 根轨迹对称于实轴。 渐近线： 当k趋于无穷大时，根轨迹的渐近线。 与虚轴的交点： 根轨迹与虚轴的交点决定了系统的临界稳定性。 转折点： 根轨迹改变方向的点。 分支数： 根轨迹的分支数等于闭环极点的个数。 根轨迹图的意义： 如何通过根轨迹图分析系统参数变化对稳定性和动态性能的影响？确定系统的稳定区域和性能区域。 5. 奈奎斯特稳定判据 开环频率特性： 什么是开环频率特性？（Nyquist图） 奈奎斯特图： 如何绘制开环传递函数 G(jω)H(jω) 的奈奎斯特图？ 奈奎斯特稳定判据： 如何利用奈奎斯特图的特性（ encirclements of the -1 point）来判断闭环系统的稳定性？（N = P - Z） 幅值裕度和相角裕度： 定义： 幅值裕度（AM）和相角裕度（PM）。 意义： 它们是衡量系统稳定性的重要指标，反映了系统抵抗参数变化或扰动的能力。 6. 伯德图（Bode Diagram） 幅频特性与相频特性： 幅频特性（模值随频率变化的曲线）和相频特性（相位角随频率变化的曲线）。 伯德图的绘制： 如何用对数坐标绘制幅频特性和相频特性曲线？（常用环节的伯德图） 伯德图的意义： 稳定性分析： 利用伯德图可以直观地分析系统的幅值裕度和相角裕度，从而判断系统的稳定性。 动态性能评估： 伯德图可以大致预测系统的动态性能（如上升时间、超调量等）。 串联校正： 伯德图是进行系统校正设计的重要工具。 第三部分 自动控制系统的性能分析与校正 1. 性能指标 稳定性指标： （已在第二部分详述，如极点位置、劳斯判据、奈奎斯特判据、根轨迹、幅值裕度和相角裕度） 动态性能指标： （已在第一部分详述，如超调量、上升时间、调整时间等） 稳态性能指标： （已在第一部分详述，如稳态误差，与系统类型和静态误差系数相关） 2. PID 控制器 比例（P）控制： 作用，优点，缺点（稳态误差）。 积分（I）控制： 作用（消除稳态误差），优点，缺点（降低稳定性，增大超调量）。 微分（D）控制： 作用（超前，改善动态性能，减小超调量），优点，缺点（放大噪声）。 PID 控制器： P、I、D三部分的组合，万能控制器。 PID 参数整定方法： 经验整定法： 如Ziegler-Nichols方法（临界比例法、延时区法）。 理论整定法： 基于模型参数的整定。 试凑法： 逐步调整参数。 3. 串联校正（前向通路校正） 目的： 改善系统的动态性能和稳定性。 常用校正装置： 比例-积分（PI）控制器： 提高系统类型，消除稳态误差，可能降低系统稳定性。 比例-微分（PD）控制器： 改善动态性能，减小超调量，提高系统稳定性。 比例-积分-微分（PID）控制器： 综合 P、I、D 的优点。 超前校正装置： 传递函数形式（如Ka(1+Ts)/(1+aTs)，a<1）。作用是改善系统的相位特性，提高系统稳定性（增加相角裕度）。 滞后校正装置： 传递函数形式（如Ka(1+Ts)/(1+aTs)，a>1）。作用是改善系统的低频特性，提高稳态精度，但可能降低系统带宽。 超前-滞后校正装置： 结合两者的优点。 校正设计方法： 时域法： 根据时域性能指标进行设计。 根轨迹法： 调整校正装置参数以改变根轨迹，满足性能要求。 频率响应法（伯德图法）： 调整校正装置参数以获得所需的幅值裕度和相角裕度。 4. 反馈校正（并联校正/补偿器在反馈通路） 目的： 改善系统的性能，通常用于补偿器无法方便地串联到前向通路的情况。 常用反馈校正装置： 微分反馈： 对输出信号进行微分，添加到比较器处，相当于前向通路PD校正。 状态反馈： （更高级的概念，涉及系统状态变量） 设计考虑： 如何设计反馈校正装置以达到期望的系统性能。 第四部分 自动控制系统的分析方法扩展 1. 状态空间分析法 引入： 为什么需要状态空间方法？（适用于线性、非线性、时变、多输入多输出系统，能提供更丰富的信息） 状态变量： 什么是状态变量？它们如何完整描述系统的内部状态？ 状态方程与输出方程： 如何用矩阵形式表示系统的状态空间模型？ 线性定常系统： $dot{x} = Ax + Bu$, $y = Cx + Du$ 系统解： 如何求解状态方程？（利用矩阵指数） 可控性与可观测性： 可控性： 从任意初始状态通过控制输入能否到达任意目标状态。 可观测性： 从系统的输出能否推断出系统的内部状态。 重要性： 可控性与可观测性是设计控制器（如状态反馈）和观测器的前提。 稳定性分析： 利用矩阵A的特征值判断系统稳定性。 线性二次型调节器（LQR）： （一个重要的状态反馈设计方法，用于优化性能指标） 2. 数字自动控制系统 采样系统： 什么是采样过程？（将连续信号转换为离散信号） Z变换： Z变换在离散时间系统分析中的作用，类似于拉普拉斯变换在连续时间系统中的作用。 离散系统的传递函数（脉冲传递函数）： 如何表示离散系统的输入输出关系？ 离散系统的稳定性： 利用单位圆来判断离散系统的稳定性。 数字控制器设计： 如何设计适用于数字实现的控制器？ 本书的特色与价值 系统性强： 覆盖了自动控制原理的核心内容，从基础概念到高级分析方法，逻辑清晰，层层递进。 理论与实践结合： 在阐述理论的同时，注重与实际工程问题的联系，提供了大量实际系统的建模和分析案例。 习题详解： 大量精选的典型习题，并附有详细的解答过程，有助于读者巩固知识，掌握解题技巧。 易于理解： 作者的讲解深入浅出，语言通俗易懂，适合不同背景的读者学习。 适用范围广： 无论是在校学生、工程技术人员还是研究人员，都能从本书中获益。 通过学习《自动控制原理》，读者将能够： 1. 理解自动控制系统的基本原理： 掌握闭环控制的优势，理解系统的组成和功能。 2. 建立和分析系统的数学模型： 能够运用微分方程、传递函数等工具描述和分析系统的动态特性。 3. 评估系统的性能： 掌握时域和频域的性能指标，能够定量描述系统的响应速度、稳定性和精度。 4. 进行系统的稳定性分析： 熟悉劳斯判据、根轨迹法、奈奎斯特判据、伯德图等稳定性判别方法。 5. 设计控制器和校正装置： 能够根据系统需求，设计PID控制器、超前/滞后校正装置等，以改善系统性能。 6. 初步了解现代控制理论： 了解状态空间方法在系统分析和设计中的应用。 本书是构筑扎实的自动控制理论基础、提升工程实践能力的必备参考。