《水工艺设备基础》课程教学资源（书籍文献）科学出版社《自动控制原理》教材书籍PDF电子版（主编：胡寿松，第四版）.pdf_大学文库

内容简介本书系《白动控制原理》一书的第四版，比较全面地闸述了自动控制的基本理论与应用。全书其分十章，前八章着重介绍经典挖制理论及应用，后两章介绍现代控制理论中的线性系统理论和最优控制理论本书精选了第三版中的主要内穿、加强了对基本理论及其应用的阐述。书中深入浅出地介绍了自动控制的基本概念，控制系统在时域和复域中的数学模型及其结构图和信号流图：比较全面地闸述了线性控制系统的时域分折法、根轨迹法、频域分析法以及校止和设计等方法；对线性离散系统的基础理论、数学模型、稳定性及稳态误差、动态性能分析以及数字校正等问题，进行了比较详细的讨论；在非线性控制系统分析方面，给山了相平面和描述函数两种常用的分析方法，对月前应用日益增多的非线性控制的逆系统方法也作了较为详细的介绍；最后两章根据高新技术发展的需要系统地阐述了线性系统的状态空间分析与综合，以及动态系统的最优控制等方法：书本给出的两个附录，可供读者在学习本书的过程中查询之用。本书1985年被评为航空工业部优秀教材，1988年被评为全国优秀教材，1997年被评为国家级教学成果二等奖，间年被批准列为国家九丘”重点教材。本书可作为高等工业院校自动控制、工业自动化、电气白动化、仪表及测试机械、动力、冶治金等专业的教科书，亦可供从事方动控制类的各专业工程技术人员白学参考。图书在版编目（CIP）数据白动控制原理/胡寿松主编：-4版，北京：科学出版社，2001ISBN 7-03-008881 6「.自.胡.自动控制理论N.TP13中国版本图馆CIP数据核字（2000）第52861号科学出版社出版北东东费城银北街6号苏政编码1007:7源海印刷厂印制科学山版补发行各地新华书店经销*1979年12月第一版开本，787×10921/16印张：391 21984年6月第一版1994个5月第三版字数：9220002001年2月第四版印数：19(90120=9012001年2月第十五次印刷定价：39.00元（如有印装质量问题，我社负责调换（环伟））

前言自动控制技术已广泛应用十制造业、农业、交通、航空及航天等众多产业部门极大地提高了社会劳动生产率，改善厂人们的劳动条件，丰富和提高了人民的生活水。在今大的社会生活中，自动化装置无所不在，为人类文明进步做出了重要贡献：20世纪90年代。实现了万米深海探测；通信和金融业已接近全面自动化；哈勃太空望远镜为研究宇宙提供了前所未有的机会；美国研制的探路者小车胜利地完成了火虽表面的实地探测。在控制技术需求推动小，控制理论本身也取得了显著进形。从线性近似到非线性系统的研究取得了新的成就，借助微分几何的固有非线性框架来研究非线性系统的控制，已成为自前重要研究方向之一：离散事件动态系统理论的形成，扩展了对离散系统的描述和分析能力：分布参数系统的研究又有了新的突破，不确定性II控制及系统对外扰的鲁棒性分析和设计已扩展到无穷维空间。实践证明，系统或参数识别技术对加工随机信息具有不可替代的应用价值。自适应、自校止、自修复、自组织系统的研究和应用又有了新的发展为了适应控制技术和控制理论发展形势的需要，我们对1994年出版的《自动控制原理》（第三版）再次进行了全面修订。这次修订，除保持本书深入浅出、理论严谨、系统性强、富有工程性以及便于自学的特点外，我们突出了前技强干、精益求精的思想，加强了系统建模内容，增加了目前应用日益增多的非线性控制的逆系统方法，并重新撰写了频域分析法、非线性控制系统分析、线性系统理论及最优控制理论等内容，力求奉献给读者一本较完美的控制理论教科书。我们仍然坚信，本书对培养读者的辨证思维能力和创新能力，树立理论联系实际的科学观点，以及提高综合分析问题的能力等方面，都具有重要的作用、本书初版于1979年由国防工业出版社出版，至今经厉了20余年的时间历程。在广大读者的支持、关心和爱护下，本书获得了众多殊荣：1985年，本书获航空工业部优秀教材奖；1988年，获国家级优秀教材奖；1997年，获国家级教学成果二等奖；1997年，本书第四版被批准列为国家“九五”重点教材。本书第叫版由胡寿松教授主编，各章编写作者有沈程智（第四章）、吴庆宪（第丘、八章）、李言俊（第九章）、胡寿松（其余各章）。应当指出，本伟从初版至第四版，是一个不断完善、不断提高的过程，本书第一至第三版的不少作者，或者由于退休，或者由」工作调动等原因而不再参与第四版的工作，但他们对本书的贡献是不可磨灭的。在此，仅向曾参与本书各版编写的教授们表示感谢，他们是徐缤昌、陈新海、周凤歧、林其墩、阙志宏、胡十跃，程鹏、林代业、田林、孟宪等教授。我们还要特别感谢中国科学院院士杨嘉先生和冯纯伯先生，他们百忙中对本书提出了建设性指导意见。此外我们还要感谢吴宏鑫、戴冠中、郑应平、张明廉、张洪铖、王执铨、胡维礼、史维、胡裕德、姚琼荟、何亚群、迟器、吴晓蓓等教授对本书的关心和帮助。对于本版中存在的错误和不妥之处，继续愿请广大读者不吝指正胡寿松2000年6月·i

第一章自动控制的一般概念11自动控制的基本原理与方式1.自动控制技术及其应用在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓白动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。例如，数控车床按照预定程序自动地切削工件；化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定；雷达和计算机组成的导弹发射和制导系统，自动地将导弹引导到敌方目标；无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行；人造卫星准确地进人预定轨道运行并回收等，这一切都是以应用高水平的自动控制技术为前提的。近几十年来，随着电子计算机技术的发展和应用，在宇宙航行、机器人控制、导弹制导以及核动力等高新技术领域中，自动控制技术更具有特别重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应用范围现已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。2.自动控制理论自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其它基于反馈原理的军用装备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后，已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出、线性定常系统的分析和设计问题。20世纪60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机技术的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨人了一个新阶段一现代控制理论。它主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。3.反馈控制原理为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某恒定值，例如温度、压力、液位等，也可以要求按照某个给定规律运行，例如飞行航迹、记录曲线等；而控制装置则是对:1:

被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理组成的反馈控制系统，在反馈控制系统中，控制装督对被控对象施的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修止被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。其实，人的一切活动都体现出反馈控制的原理，人本身就是个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统。例如，入用手拿取桌上的书，汽车司机操纵方向盘驾驶汽车沿公路平稳行驶等，这些日常生活中习以为常的平凡动作都渗透着反馈控制的深奥原理。下面，通过解部手从桌上取书的动作过程，透视一下它所包含的反馈控制机理。在这里，书位置是手运动的指令信息，一般称为输入信号。取书时，首先人要用眼晴连续目测手相对于书的位置，并将这个信息送人大脑（称为位置反馈信息）：然后由大脑判断手与书之间的距离产生偏差信号，并根据其大小发出控制手臂移动的命令（称为控制作用或操纵量），逐渐使手与书之间的距离（即偏差）减小。显然，只要这个偏差存在，上述过程就要反复进行，直到偏差减小为零，手便取到了书。可以看出，大脑控制手取书的过程，是一个利用偏差（手与书之间距离）产生控制作用，并不断使偏差减小直至消除的运动过程；同时，为了取得偏差信号，必须要有手位置的反馈信息，两者结合起来，就构成了反馈控制。显然，反馈控制实质上是一个按偏差进行控制的过程，因此，它也称为按偏差的控制，反馈控制原理就是按偏差控制的原理。人取物视为一个反馈控制系统时，手是被控对象，手位置是被控量（即系统的输出量），产生控制作用的机构是眼睛、大脑和手臂，统称为控制装置，我们可以用图1-1的系统方块图来展示这个反馈控制系统的基本组成及工作原理。输出量输入信号大脑手鸭、手嵌睛（手位置）(书位置)+暖晴卜图1-1人取书的反馈挖制系统方块图通常，我们把取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈：反之，则称为正反馈。反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程.而且，由于引入厂被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此反馈控制也称闭环控制。在工程实践中，为了实现对被控对象的反馈控制，系统中必须配置具有人的眼睛、大脑和手臂功能的设备，以便用来对被控量进行连续地测量、反馈和比较，并按偏差进行控制。这些设备依其功能分别称为测量元件、比较元件和执行元件，并统称为控制装置。在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反馈控制原理进行1作的。通常，当龙门刨床加工表面不平整的毛坏时，负载会有很大的波动，但为了保证加工精度和表面光洁度，一般不允许刨床速度变化过大，因此必须对速度进行控制。图1-2是利用速度反馈对刨床速度进行自动控制的原理示意图。图中，刨床主电动机SM是电控制的直流电动2

LN113图1-2龙门刨床速度控制系统原理图机，其电枢电压由晶闸管整流装置KZ提供，并通过调节触发器CF的控制电压u，来改变电动机的电枢电压，从而改变电动机的速度（被控量）。测速发电机TG是测量元件，用来测量刨床速度并给出与速度成正比的电压u。然后，将u反馈到输入端并与给定电压us反向串联便得到偏差电压Auuo一ut。在这里，u是根据创床工作情况预先设置的速度给定电压，它与反馈电压u，相减便形成偏差电压，因此u称为负反馈电压。一般，偏差电压比较微弱，需经放大器FD放大后才能作为触发器的控制电压。在这个系统中，被控对象是电动机，触发器和整流装置起了执行控制动作的作用，故称为执行元件。现在具体分析一下刨床速度自动控制的过程。当刨床正常工作时，对于某给定电压u，电动机必有确定的速度给定值n相对应，同时亦有相应的测速发电机电压ur，以及相应的偏差电压Au和触发器控制电压uk如果刨床负载变化，例如增加负载，将使速度降低而偏离给定值，同时，测速发电机电压u将相应减小，偏差电压Au将因此增大，触发器控制电压u也随之增大，从而使品闸管整流电压u。升高，逐步使速度回升到给定值附近。这个过程可用图1-3的--组曲线表明。由图可见，负载M，在ti时突增为M2，致使电动机速度由给定值n急剧下降。但随着Au和ua的增大，速度很快回升，t?时速度便回升到n2，它与给定值"已相差无几了。反之，如果刨床速度因减小负载致使速度上升，则各电压量反向变化，速度回落过程完全一样。另外，如果调整给定电压uo，便可改变创床工作速度。因此，采用图1-2的自动控制系统，既可以在不同负载下自动维持刨床速度不变，也可以根据需要自动地改变创床速度，其工作原理都是相同的。它们都是由测量元件（测速发电机）对被控量（速度）进行检测，并将它反馈至比较电路与给定值相减而得到偏差电压（速度负反馈），经放大器放大、变换后，执行元件（触发器和晶闸管整流装置）便依据偏差电压的性质对被控量（速度）进行相应调节，从而使偏差消失或减小到允许范围。可见，这是一个由负反馈产生偏差，并利用偏差进行控制直到最后消除偏差的过程，这就是负反馈控制原理。简称反馈控制原理。应当指出的是，图1-2的刨床速度控制系统是一个有静差系统。由图1-3的速度控制过程曲线可以看出，速度最终达到的稳态值n?与原给定速度n1之间始终有一-个差值存在，这个差值是用来产生一个附加的电动机电枢电压，以补偿因增加负载而引起的速度下降。因此，差值的存在是保证系统正常工作所必需的，一般称为稳态误差。如果从结构上加以改进，这个稳态误差是可以消除的。图1-4是与图1-2对应的刨床速度控制系统方块图。在方块图中，被控对象和控制装:3·