自动控制技术基础与实践

　　《自动控制技术基础与实践》既有较为全面的自动控制理论知识，也有丰富翔实的应用实践案例。全书内容主要包括自动控制技术基本概念、自动控制系统的基本元部件、自动控制系统数学描述、自动控制系统性能分析、自动控制系统设计方法、数字控制系统设计、控制算法，以及“造纸机主轴转动自动调速系统”和“稳压直流电源”设计与制作实例。全书主要以工程实例为载体，训练学生面向工程实际需求进行系统分析和设计的能力；用Matlab软件展现自动控制理论和自动控制系统设计方法，避免了烦琐的数学推导，通俗易懂。

　　本书可作为应用型本科和高等职业院校生产过程自动化技术、机电一体化技术、电气自动化技术等专业的教材，也可作为从事自动化工作的工程技术人员的参考用书。

第1章自动控制技术概述

1．1自动控制技术认知

1．2自动控制技术的应用实例

1．2．1可程式精密烤箱

1．2．2电脑刺绣机控制系统

1．2．3汽车巡航控制系统(CCS)

1．3控制技术发展简述

1．3．1经典控制理论

1．3．2现代控制理论

1．3．3智能控制理论

思考与练习1

第2章构建控制系统的基本元件

2．1控制系统元件的作用

2．2电动机

2．2．1电动机类型

2．2．2电动机选择

2．2．3直流电机结构原理与控制

2．2．4交流电动机结构原理与控制

2．2．5步进电动机、结构、原理与控制

2．2．6伺服电机

2．3常用传动部件的类型及应用

2．3．1常用传动部件的类型

2．3．2传动部件的选择

2．4测量元件及信号处理电路

2．4．1应用于运动控制系统的检测器件

2．4．2应用于温度测控系统的温度检测器件

2．4．3应用于压力测控系统的传感器

2．4．4应用于测量电压、电流的传感器

2．4．5处理检测元件信号的常用电路

2．5控制系统常用电力电子器件及线路

2．5．1常用电力电子器件

2．5．2常用功率线路

2．5．3功率线路在电机驱动器中的典型应用

思考与练习2

第3章控制系统数学描述

3．1数学模型认知

3．2数学模型――微分方程

3．2．1线性系统微分方程的建立

3．2．2用Matlab求解微分方程

3．3传递函数

3．4结构图

3．4．1绘制结构图

3．4．2结构图简化法则

3．4．3闭环系统的传递函数

*3．5典型环节的传递函数和结构图

思考与练习3

第4章控制系统响应

4．1引言

4．2控制系统常用测试信号

4．3控制系统时域响应

*4．3．1系统时域响应一般求法

4．3．2时域响应性能指标描述

4．3．3一阶、二阶系统时域响应

4．4控制系统的频域响应

4．4．1什么是系统的频域特性

4．4．2频率特性的极坐标图(奈氏图)表示法

4．4．3频率特性的伯德图(Bode)表示法

4．5根轨迹

4．5．1什么是根轨迹

4．5．2利用Matlab绘制根轨迹

思考与练习4

第5章控制系统性能分析

5．1系统零极点变化与暂态响应

5．1．1零极点在S平面的表示

5．1．2闭环零极点位置对暂态响应的影响

5．1．3系统的主导极点

5．1．4开环零极点对暂态响应的影响

5．2稳态误差分析

5．2．1反馈对系统稳态性能的影响

5．2．2单位负反馈系统稳态误差分析

5．3系统稳定性分析

5．3．1系统稳定性定义

5．3．2劳斯稳定判据

5．3．3频域稳定性判据

5．3．4相对稳定性

5．4系统对参数变化的灵敏度

5．5干扰信号的影响

思考与练习5

第6章控制系统设计方法

6．1控制系统设计过程

6．2控制系统设计过程处理方法

6．2．1系统固有部分的简化处理

6．2．2确定系统预期频率特性

6．3控制系统校正

6．3．1系统时域与频域性能指标的关系

6．3．2校正装置类型

6．3．3校正形式

6．3．4基于根轨迹的系统设计法

6．3．5基于bode图的系统设计法

思考与练习6

第7章数字控制系统

7．1数字控制系统认知

7．1．1数字控制系统应用

7．1．2直接数字控制系统结构

7．1．3数字控制系统的信号变化

7．2数据采样

7．3数字控制系统分析

7．3．1数字控制系统Z传递函数

7．3．2数字控制系统Matlab仿真

7．3．3数字系统稳定性

7．3．4数字系统稳态误差

7．4数字系统设计

7．4．1数字系统采样周期的确定

7．4．2基于Matlab的数字系统设计

思考与练习7

第8章控制算法

8．1模拟PID控制及Matlab仿真

8．1．1PID模拟电路实现

8．1．2连续控制系统的模拟PID仿真

8．2数字PID控制与仿真

8．3几种PID改进算法与仿真

思考与练习8

第9章控制系统设计案例

9．1某造纸机主轴转动自动调速系统制作

9．1．1系统技术数据说明

9．1．2系统方案设计

9．1．3控制方案

9．1．4系统实现

9．2稳压直流电源制作

　　前言

　　自动控制技术是20世纪影响力最大的技术之一，也是21世纪最重要的高技术之一。生活活动、工业生产、军事、管理等各个领域都离不开自动控制技术。高等院校开设自动控制技术相关课程，能为制造业培养一批高技术技能型人才，满足先进制造业实现技术创新和技术升级对人才的迫切需求。

　　本书将抽象复杂的控制理论通过大量工程案例和Matlab软件变得实用和形象具体，易于学生接受。本书主要特色如下：

　　结合职业教育特点，突出理论够用、实用。

　　详细介绍构建自动控制系统的基本元件、自动控制理论，并以工程实例为载体进行阐述，读者通过本书的学习可以较为容易地开展一个自动控制系统的分析和设计。

　　自动控制理论的展现主要通过Matlab软件仿真，以图形的形式展现，形象具体，避免了复杂和烦琐的理论推导过程，强调训练学生对理论的理解和应用能力。

　　本书参考学时为64~96学时。

　　本书共有9章。第1章主要通过大量实际控制系统案例引出了自动控制技术基本概念等知识。第2章为通过大量实例介绍了自动控制基本元件的作用，以及常用自动控制基本元件的特性和应用知识。第3章通过工程实例和Matlab软件仿真介绍了系统数学模型的概念、建立、求解和应用。第4章通过Matlab软件仿真了工程实例的时域响应、频域响应、根轨迹，引出了系统的时域指标、频域特性和根轨迹相关知识。第5章主要介绍了零极点对系统动态特性的影响，系统的稳态误差分析，稳定性分析和灵敏度。第6章主要介绍了自动控制系统设计的一般步骤，系统校正装置类型和校正方式，以及基于Bode图和根轨迹的系统校正。第7章主要介绍了数字控制系统分析和设计。第8章主要介绍了普通PID和几种改进型PID算法应用。第9章主要介绍了“造纸机主轴转动自动调速系统”和“稳压直流电源”设计与制作过程。

　　本教材由中山火炬职业技术学院龙涛元、广东农工商职业技术学院杨旭志、广东工程职业技术学院李亭任主编； 中山火炬职业技术学院廖鸿飞与张远海、河源职业技术学院谢智阳、广东白云学院武威任副主编。其中，龙涛元完成了第2、5、7、8章的编写，杨旭志完成了第1、6章编写，李亭完成了第3、4章编写，廖鸿飞完成了第9章编写； 张远海参与了第1、4、5章的编写，谢智阳参与了第6、7、9章的编写，武威参与了第2、3、8章的编写。此书在编写和审核过程中，校企合作专业建设委员会的企业工程师，以及电子工业出版社朱怀永为本书提出了宝贵的意见，在此，谨向他们表示衷心感谢。

　　由于编者水平有限，经验不足，书中难免存在不妥之处，敬请读者批评指正。

　　编者2015年8月