自动控制理论

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自动控制理论是自动控制科学的核心。自动控制理论自已经过了三代的发展：第一代为20世纪初开始形成并于50年代在线性代数的数学甚而上发展起来的现代控制理论；第三代为60年代中期即已萌芽，在发展过程中综合了人工智能、自动控制、运筹学、信息论等多学科的最新成果并在此基础上形成的智能控制理论。

中文名

自动控制理论

外文名

Automatic Control Theory

核心

自动控制科学

第一代

20世纪初

第三代

60年代

自动控制系统的分类有多种方法。

①按控制装置类型，可分为常规控制和计算机控制两种。常规控制采用模拟式控制器（见控制仪表），计算机控制采用电子数字计算机。②按有无反馈，可分为闭环控制系统和开环控制系统。

③按设定值是否固定，可分定值控制系统和随动控制系统。定值控制系统的设定值固定不变，控制系统可自动克服扰动的影响，使被控变量保持基本恒定。随动控制系统中设定值是变化的，系统使被控变量随设定值而变化。例如，在化工生产中,要求物料A的流量与另一物料B的流量保持一定的比值，如果物料B的流量是变化的，物料A的流量就必须随之变化，此时物料A的流量控制就属于随动控制类型。

离散控制理论在计算中也有很广泛的应用，例如，开方：

开方公式：X(n 1)=Xn [A/X^(k-1)-Xn]1/k.

例如我们开3次方，即K=3；

公式：X(n 1)=Xn [A/X^2-Xn]1/3

例如，A=5，5在1的3次方和2的3次方之间，X0无论取1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0都可以。假如我们取2为初始值：

第一步：2 (5/2x2-2)1/3=1.7=X1

第二步：1.7 (5/1.7x1.7-1.7)1/3=1.71=X3

第三步：1.71 (5/1.71x1.71-1.71)1/3=1.709=X4

第四步：1.709 (5/1.709x1.709-1.709)1/3=1.7099=X5

每计算一次，比上一次多取一位数，计算次数与精确度成正比。取值偏大公式会自动调小，例如第一步和第二步，取值偏小公式会自动调大，例如第三步，第四步。 2100433B

本书是突出工程理念、依托系统设计的实践类教材，强调控制理论的基本概念、基本原理和基本方法，注重对物理系统的建模和按实际系统的性能要求进行系统设计，体现“做中学”的工程教育理念。本书由两大部分组成，第一部分介绍自动控制原理的传统实验、模拟仿真和数字仿真实验，第二部分介绍常见系统设计典型案例。

第1章 控制系统的数学模型

1.1 控制系统的数学模型

1.2 控制系统数学模型之间的变换

1.3 控制系统数学模型的组合连接

思考题

第2章 时域响应法

2.1 控制系统时域响应概述

2.2 控制系统时域响应的MATLAB实现

2.2.1 用MATLAB函数进行暂态响应分析

2.2.2 用MATLAB函数进行线性系统稳定性分析

2.2.3 系统动态特性分析

2.3 控制系统时域响应性能分析(传统实验)

2.3.1 典型环节

2.3.2 典型二阶系统

2.3.3 典型三阶系统

2.4 控制系统时域响应的数字仿真

思考题

第3章 根轨迹法

3.1 根轨迹的概念及其绘制方法

3.1.1 根轨迹的概念

3.1.2 绘制系统根轨迹的基本法则

3.1.3 控制系统的根轨迹分析

3.2 根轨迹绘制举例

3.3 采用MATLAB绘制根轨迹

思考题

第4章 频率特性法

4.1 频率特性及其表示

4.1.1 频率特性概念

4.1.2 开环频率特性

4.1.3 频率分析法

4.1.4 开环对数幅频的三频段

4.2 典型环节的频率特性

4.3 开环频率特性的绘制

4.3.1 开环幅相频率特性的绘制(极坐标图)

4.3.2 开环对数频率特性(伯德图)

4.4 最小相位系统与非最小相位系统

4.4.1 最小相位系统定义

4.4.2 最小相位系统的特征

4.4.3 非最小相位系统的频率特性

4.5 基于 MATLAB的频域特性分析

思考题

第5章 控制系统的设计与校正

5.1 校正概念及常用校正装置

5.1.1 校正的基本概念

5.1.2 常用校正装置

5.2 常用校正方法

5.2.1 频率法校正

5.2.2 根轨迹法校正

5.3 控制系统校正实验（传统实验）

5.3.1 实验目的、内容及步骤

5.3.2 实验过程分析

5.4 基于MATLAB控制系统设计举例

思考题

第6章 非线性和采样系统设计

6.1 非线性系统及数学模型

6.1.1 常用方法

6.1.2 典型非线性环节及数学模型

6.2 非线性控制系统的建模及设计（传统实验）

6.2.1 典型非线性特性的模拟电路

6.2.2 实例考察

6.2.3 实验要求

6.3 基于MATALB的非线性控制系统设计

6.4 采样控制系统分析

6.4.1 基本概念

6.4.2 数学模型

6.4.3 差分方程求解

6.4.4 脉冲传递函数（z传递函数）

6.5 基于MATLAB的采样控制系统设计

6.5.1 连续系统的离散化

6.5.2 求离散系统的响应

思考题

第7章 状态变量控制系统

7.1 线性定常系统状态方程及其解

7.1.1 基本概念

7.1.2 MATLAB的应用

7.1.3 实验要求

7.2 能控性和能观性的判别

7.2.1 基本原理

7.2.2 MATLAB在能控能观性等方面的应用

7.2.3 实验要求

7.3 稳定性

7.3.1 基本概念

7.3.2 MATLAB在李雅普诺夫稳定性上的应用

7.3.3 实验要求

7.4 极点配置和状态观测器

7.4.1 基本要点

7.4.2 MATLAB在极点配置和状态观测器设计方面的应用

7.4.3 实验要求

思考题

第8章 控制系统典型案例

8.1 位置随动系统

8.1.1 系统组成及工作原理

8.1.2 数学模型

8.1.3 控制系统设计

8.2 水箱液位控制系统

8.2.1 单容水箱液位控制系统

8.2.2 双容水箱液位控制系统

8.3 运动控制系统设计

8.3.1 单闭环直流调速系统设计

8.3.2 双闭环直流调速系统设计

第9章 复杂控制典型案例

9.1 倒立摆控制系统

9.1.1 数学模型的建立

9.1.2 倒立摆PID控制

9.1.3 倒立摆LQR控制

9.2 三自由度直升机

9.2.1 数学模型的建立

9.2.2 控制器设计

9.2.3 仿真实验

9.3 四旋翼飞行器

9.3.1 模型的力学分析

9.3.2 PID控制器设计

9.3.3 线性二次最优控制器设计

附录A MATLAB基础

A.1 MATLAB基础

A.2 Simulink基础

A.3 计算机仿真基础

附录B 传统实验装置功能介绍

B.1 实验装置概述

B.2 安装指南及系统要求

B.3 功能使用说明

参考文献 2100433B

《自动控制理论实验及综合系统设计》以最新教学大纲为依据，对作者多年教学改革实践的经验进行总结，分别用经典控制理论与现代控制理论的分析与设计方法来实现系统的实验研究；然后，利用计算机仿真技术来实现系统的计算机辅助设计与分析；最后，利用本课程的综合知识或与本课程相关的知识独立完成较强的综合性系统设计。在将经典控制理论与现代控制理论的实验教学内容有机地结合的基础上，将计算机仿真与系统综合设计融为一体。为适应教学改革及学时压缩的需要，全书共分四章，内容有古典控制理论基础实验，现代控制理论基础实验，控制理论MATLAB仿真实验和控制系统综合设计。所用的实验设备XMN-2 型自动控制原理学习机、示波器、XD2信号发生器在附录中均给出了详细使用说明。