作為《自動控制原理》(孫優(yōu)賢主編,書號978-7-122-11607-9)的配套學(xué)習(xí)輔導(dǎo),本書緊緊圍繞自動控制原理的知識點進(jìn)行編寫,內(nèi)容與體例均方便讀者自學(xué)。全書由9章正文與附錄組成。正文的9章與配套教材完全一致,分別為:概述、連續(xù)時間控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、線性系統(tǒng)的時域分析法、連續(xù)時間控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差、根軌跡分析法、頻率特性分析法、線性離散時間控制系統(tǒng)分析與綜合、線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析法、非線性系統(tǒng)分析。每章又由五個部分組成,即基本要求、知識點與重要公式、典型例題、習(xí)題(與配套教材中的習(xí)題相同)和自測題。本書在附錄中給出了習(xí)題與自測題的參考答案,以及浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院近年碩士研究生入學(xué)試題及參考答案。
本書可作為自動化類、電氣信息類相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)自動控制原理的輔導(dǎo)用書,對考研學(xué)生也是一本有益的參考用書。
自動控制原理是國內(nèi)外各高校自動化及相關(guān)專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。本書抓住自動控制原理中最重要、最基礎(chǔ)的知識點組織編寫,目的是期望讀者在課程或教材的理論學(xué)習(xí)之后,通過對本書的例題分析與習(xí)題練習(xí),深刻領(lǐng)會自動控制原理的基本概念、定理和分析方法的精髓,更好地掌握這門具有普遍工程實際背景的專業(yè)基礎(chǔ)課的知識。特別希望的是通過本書的練習(xí),讀者能舉一反三地靈活應(yīng)用,不但提高解題能力,而且提高分析問題、解決問題的能力。控制科學(xué)與技術(shù)是一門隨著科學(xué)技術(shù)與工程發(fā)展而不斷向前發(fā)展的學(xué)科,且是與實際應(yīng)用休戚相關(guān)的學(xué)科,徜徉在該學(xué)科最基礎(chǔ)的自動控制原理知識海洋中,目標(biāo)是為了將來打下扎實的基礎(chǔ),可以飛得更高更遠(yuǎn)。
本書為《自動控制原理》(孫優(yōu)賢主編)(書號:978-7-122-11607-9)的配套習(xí)題集,全書共分九章,分別是概述、建模、控制系統(tǒng)時域分析、穩(wěn)定性分析、根軌跡與頻率特性兩種圖解分析方法、離散時間控制系統(tǒng)、狀態(tài)空間方法以及非線性系統(tǒng)分析方法,涵蓋了經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論的理論基礎(chǔ)與基本原理。每章都由本章基本要求、知識點與重要公式、典型例題精選、習(xí)題與自測題幾部分組成。從基本要求中,讀者可以了解到該章對不同知識掌握的要求;而知識點與重要公式部分則簡明扼要地介紹該章的重要概念、主要理論、常用的分析方法與計算公式等。特別要注意的是,由于它只是一種對知識點的簡明概括,不是自動控制原理的教材,缺乏由淺入深、循序漸進(jìn)式推導(dǎo),故不能單獨作為教材使用。典型例題講解是本書的重點,可以幫助讀者更好地掌握所學(xué)的相關(guān)知識點,有些求解方法不止一種,均配有說明以啟發(fā)讀者對問題的思考。
建議讀者在讀完例題精選后,嘗試獨立完成該章所附的習(xí)題與自測題,加強對該章知識點的掌握。本書的附錄除給出了《自動控制原理》一書中每章習(xí)題與自測題的參考答案外,還包括了2003~2012年浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院的自動控制原理研究生入學(xué)試題及參考答案。讀者可以將這些題目用于測試自己對自動控制原理的掌握程度。2013~2015年浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院的自動控制原理研究生入學(xué)試題及參考答案亦可提供給使用本書的讀者,如有需要,請發(fā)郵件至cipedu@163.com索取。
本書由孫優(yōu)賢院士主編,王慧教授副主編。其中,王慧教授負(fù)責(zé)第1、5章編寫,徐正國副教授負(fù)責(zé)第2章編寫,邵之江教授負(fù)責(zé)第3章編寫,趙豫紅副教授負(fù)責(zé)第4章編寫,宋春躍教授負(fù)責(zé)第6章編寫,周立芳副教授負(fù)責(zé)第7章編寫,吳俊教授負(fù)責(zé)第8章編寫、楊秦敏副教授負(fù)責(zé)第9章編寫。王慧教授承擔(dān)了附錄的整理與全書的統(tǒng)稿工作,孫優(yōu)賢院士負(fù)責(zé)全書內(nèi)容的審閱與最終定稿。
在所配套教材2012年出版后的五年間,本書的編寫得到了浙江大學(xué)本科生院、教務(wù)處、控制科學(xué)與工程學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)與同仁以及使用該教材的控制科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)生的大力支持;本書的初稿問世后,學(xué)院一些老師提出了很好的建議;在浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院“自動控制原理”課程中也不斷得到來自于學(xué)生的反饋意見。化學(xué)工業(yè)出版社的領(lǐng)導(dǎo)與編輯更是對本書的出版寄予了厚望,多次督促編者盡快完稿,為本書的順利出版做出了許多努力。從教材到這本配套學(xué)習(xí)輔導(dǎo),十年的時間,其中的點點滴滴,在此書付諸印刷之際,作為編者的我們唯有無窮的感激。
由于編者水平有限,書中不當(dāng)之處,敬請讀者批評指正,以便在下次印刷或再版時給予修正。
編者
2017年10月4日(中秋節(jié))于杭州浙江大學(xué)玉泉校區(qū)
1概述1
1.1本章基本要求1
1.2本章知識點與重要公式1
1.2.1一些重要的概念1
1.2.2控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式2
1.2.3控制系統(tǒng)的分類2
1.2.4控制系統(tǒng)的組成與方塊圖2
1.2.5小結(jié)2
1.3典型例題精選3
1.4習(xí)題一7
1.5自測題一10
2連續(xù)時間控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型12
2.1本章基本要求12
2.2本章知識點與重要公式12
2.2.1動態(tài)系統(tǒng)的微分方程模型12
2.2.2基于泰勒級數(shù)展開的非線性系統(tǒng)線性化方法14
2.2.3相似系統(tǒng)14
2.2.4動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型15
2.2.5動態(tài)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型16
2.2.6系統(tǒng)方塊圖16
2.2.7信號流圖與梅遜公式17
2.2.8微分方程、傳遞函數(shù)與狀態(tài)空間模型之間的相互轉(zhuǎn)換19
2.2.9狀態(tài)變換和狀態(tài)變換中的特征值的不變性22
2.2.10小結(jié)22
2.3典型例題精選23
2.4習(xí)題二49
2.5自測題二56
3線性系統(tǒng)的時域分析法60
3.1本章基本要求60
3.2本章知識點精粹與重要公式60
3.2.1典型輸入60
3.2.2微分方程的拉氏變換求解61
3.2.3控制系統(tǒng)的時域性能指標(biāo)62
3.2.4一階系統(tǒng)時域分析63
3.2.5二階系統(tǒng)時域分析64
3.2.6高階系統(tǒng)時域分析65
3.2.7常規(guī)控制器及其對系統(tǒng)的影響66
3.2.8狀態(tài)方程的求解與分析66
3.2.9被控對象的實驗建模67
3.2.10時域分析方法小結(jié)68
3.3典型例題精選69
3.4習(xí)題三78
3.5自測題三82
4連續(xù)時間控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差86
4.1本章基本要求86
4.2本章知識點與重要公式86
4.2.1穩(wěn)定性86
4.2.2勞斯判據(jù)86
4.2.3穩(wěn)態(tài)誤差88
4.2.4反饋控制系統(tǒng)的“型”89
4.2.5穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)89
4.2.6等效單位負(fù)反饋系統(tǒng)90
4.2.7系統(tǒng)穩(wěn)定性分析小結(jié)90
4.3典型例題精選91
4.4習(xí)題四98
4.5自測題四100
5根軌跡分析法102
5.1本章基本要求102
5.2本章知識點與重要公式102
5.2.1基本概念102
5.2.2繪制根軌跡的基本法則103
5.2.3廣義根軌跡106
5.2.4基于根軌跡的系統(tǒng)性能分析107
5.2.5基于根軌跡的補償器設(shè)計108
5.2.6根軌跡方法小結(jié)108
5.3典型例題精選109
5.4習(xí)題五130
5.5自測題五133
6頻率特性分析法136
6.1本章基本要求136
6.2本章知識點與重要公式136
6.2.1頻率特性的定義136
6.2.2頻率特性的圖示法136
6.2.3由對數(shù)頻率特性曲線確定系統(tǒng)傳遞函數(shù)原則139
6.2.4奈奎斯特(Nyquist)穩(wěn)定性判據(jù)140
6.2.5頻域指標(biāo)與時域指標(biāo)的關(guān)系141
6.2.6頻率特性分析方法小結(jié)142
6.3典型例題精選143
6.4習(xí)題六155
6.5自測題159
7線性離散時間控制系統(tǒng)分析與綜合162
7.1本章基本要求162
7.2本章知識點與重要公式162
7.2.1采樣過程與采樣定理162
7.2.2Z變換基礎(chǔ)162
7.2.3線性離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述及求解164
7.2.4離散系統(tǒng)的分析與設(shè)計167
7.2.5數(shù)字控制系統(tǒng)簡介170
7.2.6離散控制系統(tǒng)小結(jié)170
7.3典型例題精選171
7.4習(xí)題七182
7.5自測題187
8線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析法190
8.1本章基本要求190
8.2本章知識點與重要公式190
8.2.1能控性及其判別190
8.2.2能觀性及其判別191
8.2.3對偶系統(tǒng)及對偶原理192
8.2.4狀態(tài)空間模型的幾種規(guī)范型192
8.2.5線性定常系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解193
8.2.6狀態(tài)空間描述與傳遞函數(shù)描述的關(guān)系195
8.2.7狀態(tài)反饋控制195
8.2.8狀態(tài)觀測器196
8.2.9分離原理197
8.2.10最優(yōu)控制基礎(chǔ)197
8.2.11線性定常系統(tǒng)狀態(tài)空間分析方法小結(jié)198
8.3典型例題精選198
8.4習(xí)題八216
8.5自測題220
9非線性系統(tǒng)分析222
9.1本章基本要求222
9.2本章知識點與重要公式222
9.2.1相平面分析方法222
9.2.2描述函數(shù)分析方法223
9.2.3李雅普諾夫(Lyapunov)分析方法225
9.2.4本章小結(jié)226
9.3典型例題精選227
9.4習(xí)題九237
9.5自測題239
附錄240
附錄1《自動控制原理》部分習(xí)題參考答案240
附錄2各章自測題部分參考答案257
附錄3浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院近年碩士研究生入學(xué)試題263
附錄4浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院近年碩士研究生入學(xué)試題部分參考答案284
參考書目293