本教材覆盖高等学校自动化专业“自动控制原理”课程的主要内容,包括建模、分析、设计的基本概念及方法.全书分上、下册出版.上册主要涉及经典控制理论,包括单输入单输出动态系统的数学描述、时间响应、频率响应方法、根轨迹方法、串联校正、非线性系统、采样系统等,但数学模型部分包括状态空间模型及多输入多输出系统.下册主要涉及状态空间方法,包括系统的状态空间结构分析、线性定常系统的综合、李雅普诺夫稳定性分析、最优控制等.除习题与参考答案外,本教材附有术语索引、少量供读者阅读的参考文献.
本书注重分析思考能力的培养.减少单纯用于解决计算、作图技巧的内容,淘汰某些已经过时的作图技巧,推荐使用MATLAB,随书赠送作者自主编制的设计软件IntelDes 3.0.
本书是高等学校自动化专业“自动控制原理”课程教材,也可供相关工程技术人员参考.
吴 麒 清华大学自动化系教授,博士研究生导师。中国自动化学会荣誉理事。1952 年毕业于清华大学电机工程系,1959年获苏联技术科学副博士学位。长期从事控制理论和控制工程的教学科研工作。与同事合作编著有《自动控制原理》、《多变量频率域控制理论》和《控制系统的智能设计》等书。在国内外发表学术论文40余篇。
王诗宓 清华大学自动化系教授。1967年毕业于清华大学动力机械系,1983年获英国曼彻斯特大学理工学院哲学博士学位。长期从事控制理论与应用的教学和研究。主要研究方向为预测控制、容错控制、过程控制.独立或合作编著有《多变量控制系统的分析和设计》、《过程控制》、《先进过程控制》、《自动控制理论例题习题集》和《控制工程基础》。在国内外发表学术论文40余篇。
杜继宏 清华大学自动化系教授。中国自动化学会智能自动化专业委员会副主任委员。1966年毕业于清华大学自动控制系。长期从事控制理论与应用的教学和研究。主要研究方向为机器人控制、计算机网络控制、智能控制等.与同事合作编著有《自动控制原理》、《现代控制理论基础例题》、《机器人》、《计算机控制系统及应用》、《自动控制理论例题习题集》和《控制工程基础》。合作翻译《机器人学:控制、传感器、视觉和智能》。在国内外发表学术论文近40篇。
高黛陵 清华大学自动化系教授。1960年毕业于清华大学自动控制系。长期从事控制理论和控制工程的教学科研工作,并曾从事核反应堆控制及计算机科学的研究。与同事合作编著有《多变量频率域控制理论》和《控制系统的智能设计》等书。在国内外发表学术论文近40篇。
出版说明
为适应我国对高等学校自动化专业人才培养的需要,配合各高校教学改革的进程,创建一套符合自动化专业培养目标和教学改革要求的新型自动化专业系列教材,“教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会”(简称“教指委”)联合了“中国自动化学会教育工作委员会”、“中国电工技术学会高校工业自动化教育专业委员会”、“中国系统仿真学会教育工作委员会”和“中国机械工业教育协会电气工程及自动化学科委员会”四个委员会,以教学创新为指导思想,以教材带动教学改革为方针,设立专项资助基金,采用全国公开招标方式,组织编写出版一套自动化专业系列教材——《全国高等学校自动化专业系列教材》.
本系列教材主要面向本科生,同时兼顾研究生; 覆盖面包括专业基础课、专业核心课、专业选修课、实践环节课和专业综合训练课; 重点突出自动化专业基础理论和前沿技术; 以文字教材为主,适当包括多媒体教材; 以主教材为主,适当包括习题集、实验指导书、教师参考书、多媒体课件、网络课程脚本等辅助教材; 力求做到符合自动化专业培养目标、反映自动化专业教育改革方向、满足自动化专业教学需要; 努力创造使之成为具有先进性、创新性、适用性和系统性的特色品牌教材.
本系列教材在“教指委”的领导下,从2004年起,通过招标机制,计划用3~4年时间出版50本左右教材,2006年开始陆续出版问世.为满足多层面、多类型的教学需求,同类教材可能出版多种版本.
本系列教材的主要读者群是自动化专业及相关专业的大学生和研究生,以及相关领域和部门的科学工作者和工程技术人员.我们希望本系列教材既能为在校大学生和研究生的学习提供内容先进、论述系统和适于教学的教材或参考书,也能为广大科学工作者和工程技术人员的知识更新与继续学习提供适合的参考资料.感谢使用本系列教材的广大教师、学生和科技工作者的热情支持,并欢迎提出批评和意见.
《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会
2005年10月于北京
序1
自动化学科有着光荣的历史和重要的地位,20世纪50年代我国政府就十分重视自动化学科的发展和自动化专业人才的培养.五十多年来,自动化科学技术在众多领域发挥了重大作用,如航空、航天等,“两弹一星”的伟大工程就包含了许多自动化科学技术的成果.自动化科学技术也改变了我国工业整体的面貌,不论是石油化工、电力、钢铁,还是轻工、建材、医药等领域都要用到自动化手段,在国防工业中自动化的作用更是巨大的.现在,世界上有很多非常活跃的领域都离不开自动化技术,比如机器人、月球车等.另外,自动化学科对一些交叉学科的发展同样起到了积极的促进作用,例如网络控制、量子控制、流媒体控制、生物信息学、系统生物学等学科就是在系统论、控制论、信息论的影响下得到不断的发展.在整个世界已经进入信息时代的背景下,中国要完成工业化的任务还很重,或者说我们正处在后工业化的阶段.因此,国家提出走新型工业化的道路和“信息化带动工业化,工业化促进信息化”的科学发展观,这对自动化科学技术的发展是一个前所未有的战略机遇.
机遇难得,人才更难得.要发展自动化学科,人才是基础、是关键.高等学校是人才培养的基地,或者说人才培养是高等学校的根本.作为高等学校的领导和教师始终要把人才培养放在第一位,具体对自动化系或自动化学院的领导和教师来说,要时刻想着为国家关键行业和战线培养和输送优秀的自动化技术人才.
影响人才培养的因素很多,涉及教学改革的方方面面,包括如何拓宽专业口径、优化教学计划、增强教学柔性、强化通识教育、提高知识起点、降低专业重心、加强基础知识、强调专业实践等,其中构建融会贯通、紧密配合、有机联系的课程体系,编写有利于促进学生个性发展、培养学生创新能力的教材尤为重要.清华大学吴澄院士领导的《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会,根据自动化学科对自动化技术人才素质与能力的需求,充分吸取国外自动化教材的优势与特点,在全国范围内,以招标方式,组织编写了这套自动化专业系列教材,这对推动高等学校自动化专业发展与人才培养具有重要的意义.这套系列教材的建设有新思路、新机制,适应了高等学校教学改革与发展的新形势,立足创建精品教材,重视实践性环节在人才培养中的作用,采用了竞争机制,以激励和推动教材建设.在此,我谨向参与本系列教材规划、组织、编写的老师致以诚挚的感谢,并希望该系列教材在全国高等学校自动化专业人才培养中发挥应有的作用.
教授
2005年10月于教育部
序2
《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会在对国内外部分大学有关自动化专业的教材做深入调研的基础上,广泛听取了各方面的意见,以招标方式,组织编写了一套面向全国本科生(兼顾研究生)、体现自动化专业教材整体规划和课程体系、强调专业基础和理论联系实际的系列教材,自2006年起将陆续面世.全套系列教材共50多本,涵盖了自动化学科的主要知识领域,大部分教材都配置了包括电子教案、多媒体课件、习题辅导、课程实验指示书等立体化教材配件.此外,为强调落实“加强实践教育,培养创新人才”的教学改革思想,还特别规划了一组专业实验教程,包括《自动控制原理实验教程》、《运动控制实验教程》、《过程控制实验教程》、《检测技术实验教程》和《计算机控制系统实验教程》等.
自动化科学技术是一门应用性很强的学科,面对的是各种各样错综复杂的系统,控制对象可能是确定性的,也可能是随机性的; 控制方法可能是常规控制,也可能需要优化控制.这样的学科专业人才应该具有什么样的知识结构,又应该如何通过专业教材来体现,这正是“系列教材编审委员会”规划系列教材时所面临的问题.为此,设立了《自动化专业课程体系结构研究》专项研究课题,成立了由清华大学萧德云教授负责,包括清华大学、上海交通大学、西安交通大学和东北大学等多所院校参与的联合研究小组,对自动化专业课程体系结构进行深入的研究,提出了按“控制理论与工程、控制系统与技术、系统理论与工程、信息处理与分析、计算机与网络、软件基础与工程、专业课程实验”等知识板块构建的课程体系结构.以此为基础,组织规划了一套涵盖几十门自动化专业基础课程和专业课程的系列教材.从基础理论到控制技术,从系统理论到工程实践,从计算机技术到信号处理,从设计分析到课程实验,涉及的知识单元多达数百个、知识点几千个,介入的学校50多所,参与的教授120多人,是一项庞大的系统工程.从编制招标要求、公布招标公告,到组织投标和评审,最后商定教材大纲,凝聚着全国百余名教授的心血,为的是编写出版一套具有一定规模、富有特色的、既考虑研究型大学又考虑应用型大学的自动化专业创新型系列教材.
然而,如何进一步构建完善的自动化专业教材体系结构?如何建设基础知识与最新知识有机融合的教材?如何充分利用现代技术,适应现代大学生的接受习惯,改变教材单一形态,建设数字化、电子化、网络化等多元形态、开放性的“广义教材”?等等,这些都还有待我们进行更深入的研究.
本套系列教材的出版,对更新自动化专业的知识体系、改善教学条件、创造个性化的教学环境,一定会起到积极的作用.但是由于受各方面条件所限,本套教材从整体结构到每本书的知识组成都可能存在许多不当甚至谬误之处,还望使用本套教材的广大教师、学生及各界人士不吝批评指正.
院士
2005年10月于清华大学
下册目录
第7章描述函数方法与相平面方法
7.1引言
7.1.1线性系统和非线性系统
7.1.2非线性系统的某些特征现象
7.2非线性特性的描述函数
7.2.1描述函数
7.2.2描述函数的计算
7.2.3某些典型非线性特性的描述函数
7.2.4非线性特性的串联与并联
7.3非线性系统的描述函数分析方法
7.3.1稳定性分析
7.3.2描述函数的负倒数特性
7.3.3自持振荡的分析与计算
7.3.4伯德图在描述函数方法中的应用
7.4相平面
7.4.1相平面图
7.4.2相平面图的性质
7.4.3相轨迹的作图方法
7.4.4奇点的分类与性质
7.4.5极限环
7.5非线性系统的相平面分析方法
7.5.1线性系统的分析
7.5.2非线性系统的分区分析方法
7.5.3非线性部件对控制系统性能的影响
7.6小结
习题
第8章采样控制系统
8.1引言
8.2采样与保持
8.2.1采样过程
8.2.2理想采样过程
8.2.3保持器
8.3z变换
8.3.1时间函数的z变换
8.3.2z变换的性质
8.3.3反z变换
8.4脉冲传递函数
8.4.1脉冲传递函数的推导
8.4.2脉冲传递函数的计算
8.5采样系统的稳定性分析
8.5.1s平面与z平面之间的映射
8.5.2z平面上的稳定性分析方法
8.5.3双线性变换
8.5.4w平面上的稳定性分析方法
8.6采样控制系统的时间响应
8.6.1闭环极点与冲激响应的关系
8.6.2采样系统的瞬态响应指标
8.6.3采样系统的稳态响应
8.6.4修正的z变换
8.7采样控制系统的校正
8.7.1等效模拟校正设计方法
8.7.2数字控制器的直接设计
8.7.3数字控制器的解析设计
8.8小结
习题
第9章线性系统的结构分析
9.1引言
9.2特征值规范型
9.2.1对角线规范型
9.2.2状态运动模态与特征结构
9.2.3共轭模态规范型
9.2.4循环矩阵的若尔当规范型
9.2.5非循环矩阵的若尔当规范型
9.2.6由可控或可观规范型化特征值规范型
9.3状态可控性
9.3.1状态可控性的示例
9.3.2状态可控性的定义
9.3.3可控子空间和可控性的基本判据
9.3.4定常系统可控性的特征值规范型判据和模态判据
9.3.5定常系统可控性的代数判据
9.3.6定常系统的可控性指数
9.4状态可观性
9.4.1状态可观性的示例
9.4.2状态可观性的定义
9.4.3不可观子空间和可观性基本判据
9.4.4定常系统可观性的特征值规范型判据和模态判据
9.4.5定常系统可观性的代数判据
9.4.6定常系统的可观性指数
9.5对偶原理
9.5.1对偶系统与对偶原理
9.5.2对偶原理的应用
9.6线性定常离散时间系统的结构分析
9.6.1离散时间系统的可控性和可达性判据
9.6.2可达性指数
9.6.3离散时间系统的可观性和可重构性判据
9.6.4连续时间系统离散化后保持可达和可观的条件
9.6.5单输入系统可达性矩阵行列式的值与可达程度
9.7系统的结构分解
9.7.1线性定常系统按可控性分解
9.7.2线性定常系统按可观性分解
9.7.3线性定常系统结构的标准分解
9.8可控规范型和可观规范型
9.8.1单输入系统的两种可控规范型
9.8.2采用矩阵行列初等变换求可控规范型
9.8.3单输出系统的两种可观规范型
9.8.4多输入系统的可控规范型
9.8.5多输出系统的可观规范型
9.9传递函数矩阵中的零极点对消
9.9.1单输入单输出系统的零极点对消
9.9.2多输入多输出系统的零极点对消
9.9.3状态可控性和可观性的频域判据
9.9.4输出可控性和输入可观性
9.10传递函数矩阵的状态空间实现
9.10.1实现和最小实现
9.10.2标量传递函数的实现
9.10.3传递函数矩阵的实现
9.10.4利用汉克尔矩阵寻找最小实现
9.11反馈控制系统的可控性和可观性
9.11.1状态反馈和输出反馈
9.11.2反馈控制对可控性和可观性的影响
9.11.3化完全可控的多输入系统为对单一输入分量完全
可控的系统
9.12小结
习题
第10章线性定常系统的综合
10.1闭环系统的极点配置
10.1.1单输入系统的极点配置
10.1.2多输入系统极点配置的一种方法
10.1.3闭环极点配置定理
10.1.4镇定问题
10.1.5输入变换和稳态特性
10.2多输入系统极点配置方法与特征结构配置
10.2.1多输入系统的极点配置方法
10.2.2特征结构配置
10.2.3不完全可控系统的特征结构配置
10.3闭环系统的解耦
10.3.1系统的可解耦性
10.3.2用逆系统方法实现闭环解耦
10.3.3解耦阶常数的性质
10.3.4具有期望闭环极点的解耦系统
10.3.5解耦系统的零点
10.3.6带输入补偿器的解耦控制
10.4状态观测器
10.4.1全维观测器
10.4.2系统引入观测器后的频域性质
10.4.3降维观测器
10.5带有观测器的反馈控制系统
10.5.1闭环系统结构及其极点可分离性
10.5.2闭环传递函数矩阵的零极点对消
10.5.3重构状态反馈和带补偿器的输出反馈的等价性
10.6有外扰时控制系统的综合
10.6.1调节器问题
10.6.2闭环系统稳态无差的判据
10.6.3外扰状态可直接测量时的系统综合方法
10.6.4外扰状态观测器与内模原理
10.7鲁棒调节器
10.7.1常值扰动下的鲁棒调节器
10.7.2鲁棒调节器的频域性质
10.7.3鲁棒调节器的构造
10.8小结
习题
第11章李雅普诺夫稳定性分析
11.1引言
11.1.1运动稳定性和平衡状态
11.1.2李雅普诺夫稳定性
11.1.3李雅普诺夫第一方法
11.1.4二次型函数的定号性和西尔维斯特判据
11.2李雅普诺夫第二方法
11.2.1李雅普诺夫函数
11.2.2李雅普诺夫稳定性基本定理
11.2.3其他稳定性和不稳定性定理
11.2.4离散系统的李雅普诺夫稳定性定理
11.3吸引域
11.4李雅普诺夫方法在线性定常系统中的应用
11.4.1连续系统的李雅普诺夫方程
11.4.2离散系统的李雅普诺夫方程
11.4.3系统响应快速性的估计
11.4.4参数的优化设计
11.5李雅普诺夫方法在非线性系统中的应用
11.5.1克拉索夫斯基方法
11.5.2变量梯度法
11.6小结
习题
第12章最优控制
12.1引言
12.2最优控制问题
12.2.1几个示例
12.2.2最优控制问题的数学描述
12.3泛函和变分法
12.3.1泛函
12.3.2泛函的变分
12.3.3泛函的极值
12.3.4古典变分法
12.4变分法在最优控制中的应用
12.4.1拉格朗日问题
12.4.2波尔查问题
12.4.3最优轨线上的哈密顿函数
12.4.4离散时间系统的最优控制
12.5极小值原理及其应用
12.5.1变分法的局限性
12.5.2极小值原理的几种具体形式
12.5.3时间最优控制问题
12.6极小值原理的证明
12.6.1两个引理
12.6.2采用增量法的证明过程
12.7线性二次型调节器
12.7.1线性二次型问题
12.7.2有限时间状态反馈调节器
12.7.3定常系统无限时间状态反馈调节器
12.7.4离散系统的线性二次型状态反馈调节器
12.7.5输出调节器问题
12.8小结
习题
下册部分习题参考答案
下册名词索引