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第1章 自动控制系统的数学描述 1

1.1 拉普拉斯变换 1

1.1.1 拉氏变换的定义 1

1.1.2 拉氏变换的主要性质 1

1.1.3 常用函数的拉氏变换 5

1.1.4 拉氏反变换 7

1.1.5 利用拉氏变换解微分方程 11

1.2 系统的动态特性 11

1.2.1 微分方程 12

1.2.2 传递函数 12

1.2.3 输入响应法 15

1.2.4 频率响应法 16

1.2.5 状态变量表示法 18

1.2.6 控制理论的一般问题 18

1.3 环节的联接方式和典型环节的动态特性 21

1.3.1 环节的基本联接方式 21

1.3.2 典型环节的动态特性 24

1.4 物理系统传递函数的推导 31

1.4.1 系统的方块图表示 31

1.4.2 方块图的等效变换 33

1.4.3 求RLC电路传递函数的等效阻抗法 37

1.5 信号流图 37

1.5.1 信号流图的结构和术语 37

1.5.2 信号流图的画法 38

1.5.3 信号流图的化简 39

1.5.4 梅逊公式 42

习题 43

第2章 系统分析 47

2.1 系统分析的基本概念 47

2.1.1 系统分析的一般方法 47

2.1.2 系统的传递函数和系统的稳定性 48

2.2 劳斯(Routh)稳定判据 49

2.2.1 系统稳定的必要而不充分条件 49

2.2.2 劳斯判据 49

2.2.3 劳斯判据用于低阶系统 54

2.2.4 劳斯判据用于判断系统的稳定性裕度 54

2.3 奈魁斯特(Nyquist)稳定判据 56

2.3.1 幅角定理 56

2.3.2 奈氏准则 57

2.3.3 广义频率特性 66

2.3.4 对数坐标图--伯德图 67

2.3.5 最小相位系统及其稳定性裕度 69

2.4 一阶系统分析 70

2.4.1 一阶系统的瞬态响应 70

2.4.2 一阶系统的过渡时间t？ 71

2.5 二阶系统分析 71

2.5.1 二阶系统的稳定性分析 71

2.5.2 0<ξ<1时二阶系统分析 73

2.5.3 二阶系统的频率特性 78

2.6 高阶系统分析 80

2.6.1 闭环主导极点 80

2.6.2 高阶系统的瞬态响应分析 80

2.7 系统分析的根轨迹法 83

2.7.1 根轨迹的基本概念 83

2.7.2 根轨迹作图的规则 84

2.7.3 含有纯迟延环节的根轨迹 89

习题 91

第3章 热工过程自动调节系统的分析和整定 95

3.1 热工对象的动态特性 95

3.1.1 热工对象动态特性的特点 95

3.1.2 用特征参数近似表示对象的动态特性 96

3.1.3 由飞升曲线近似求取传递函数 97

3.1.4 热工对象的频率特性 101

3.2 调节规律和调节器 102

3.2.1 三种基本调节规律 102

3.2.2 工业调节器的动态特性 103

3.3 单回路调节系统的分析 105

3.3.1 稳定性分析 105

3.3.2 调节系统的静态偏差 108

3.3.3 调节系统的动态偏差 109

3.3.4 调节系统的调节时间 109

3.4 单回路调节系统的整定 112

3.4.1 保证稳定性指标m的计算整定方法 112

3.4.2 图表整定法 114

3.4.3 实验整定法 115

3.5 利用根轨迹法整定调节系统 116

3.5.1 采用P调节器的系统的根轨迹法整定 116

3.5.2 采用PD调节器的系统的根轨迹法整定 116

3.5.3 采用PI调节器的系统的根轨迹法整定 118

3.5.4 采用PID调节器的系统的根轨迹法整定 120

3.6 复杂调节系统 121

3.6.1 串级调节系统 121

3.6.2 前馈--反馈控制系统 125

3.6.3 解耦控制 126

3.6.4 纯迟延补偿 135

3.7 PID调节规律的数字实现 138

3.7.1 信号的采集和处理 139

3.7.2 模拟信号的恢复 142

3.7.3 PID调节规律的数字算法 143

3.7.4 数字PID调节系统的整定 145

3.7.5 PID控制算法的改进 147

习题 150

第4章 火力发电厂大型单元机组自动控制系统 152

4.1 火力发电厂单元机组的生产过程及其自动控制 152

4.1.1 单元机组的生产过程 152

4.1.2 单元机组自动控制系统的组成 153

4.1.3 单元机组控制系统中的协调控制级 154

4.1.4 单元机组控制系统中的基础控制级 155

4.2 单元机组负荷控制系统 156

4.2.1 单元机组动态特性 156

4.2.2 锅炉跟随汽轮机的负荷调节系统 158

4.2.3 汽轮机跟随锅炉的负荷调节系统 160

4.2.4 协调控制方式 162

4.2.5 实际负荷控制系统举例 163

4.3 单元机组汽包锅炉燃烧控制系统 165

4.3.1 汽压被控对象的生产过程 165

4.3.2 汽压被控对象的动态特性 166

4.3.3 燃料量控制子系统 169

4.3.4 送风量控制子系统 171

4.3.5 引风控制子系统 173

4.3.6 燃烧调节系统的整定 174

4.4 给水控制系统 177

4.4.1 汽包水位被控对象的动态特性 177

4.4.2 前馈-反馈给水调节系统 180

4.4.3 串级给水控制系统 183

4.4.4 全程给水控制系统 183

4.5 汽温控制系统 187

4.5.1 过热汽温的动态特性 188

4.5.2 串级过热汽温控制系统 190

4.5.3 过热汽温控制系统的工程设计实例 191

4.5.4 改善汽温调节性能的其它措施 192

习题 193

第5章 集散控制系统 196

5.1 概述 196

5.1.1 工业过程的计算机控制 196

5.1.2 集散控制系统的特点 198

5.1.3 集散控制系统的可靠性 198

5.1.4 集散控制系统的发展 201

5.2 集散控制系统的体系结构 201

5.2.1 集散控制系统的组成 201

5.2.2 集散控制系统的功能结构 202

5.2.3 集散控制系统的网络体系 203

5.2.4 现场总线技术的发展 207

5.3 集散控制系统的硬件和软件 210

5.3.1 集散控制系统的硬软件结构概述 210

5.3.2 现场控制站 211

5.3.3 操作员站(工程师站) 213

5.3.4 过程控制级中的智能数字调节器和PLC 215

5.3.5 现场控制站的软件 215

5.3.6 系统软件 217

5.3.7 组态软件 218

5.4 典型集散控制系统及其在火电机组控制中的应用 221

5.4.1 TDC-3000 221

5.4.2 I/AS 224

5.4.3 INF1-90 225

5.4.4 MAX1000 227

5.4.5 CENTUM-XL 228

5.4.6 DCS在火电机组控制中的应用 229

第6章 控制系统的状态空间分析方法 232

6.1 用状态空间方法描述系统的动态特性 232

6.1.1 基本概念 232

6.1.2 系统特性的状态变量描述方法 233

6.1.3 物理系统状态变量的选取 235

6.1.4 传递函数和状态空间描述 238

6.1.5 状态空间表达式的变换 244

6.2 线性定常系统的运动分析 250

6.2.1 矩阵指数 250

6.2.2 状态方程的求解 253

6.2.3 线性定常系统的状态转移阵 255

6.2.4 线性定常系统的稳定性 258

6.3 系统的可控性和可观性 260

6.3.1 线性定常系统的可控性 260

6.3.2 线性定常系统的可观性 264

6.3.3 线性系统的结构分解 267

6.3.4 可控性可观性和传递函数的关系 272

6.4 线性系统的状态反馈控制 272

6.4.1 状态反馈的基本概念 272

6.4.2 状态反馈控制系统的极点配置 274

6.4.3 稳态性能的改进 276

6.5 最优控制概述 279

6.5.1 最优控制的提法 279

6.5.2 最优控制的基本关系式 280

6.5.3 线性系统的二次型最优控制 281

6.5.4 线性定常系统的无限时间最优控制 284

6.5.5 输出最优调节器 285

习题 286

第7章 先进过程控制系统简介 290

7.1 预测控制 290

7.1.1 预测控制的基本原理 290

7.1.2 模型算法预测控制 292

7.1.3 动态矩阵控制 295

7.1.4 广义预测控制 298

7.2 自适应控制 303

7.2.1 模型参考自适应控制 303

7.2.2 自校正控制 307

7.2.3 PID参数的自整定 312

7.3 智能控制概述 314

7.3.1 专家控制系统与专家控制器 315

7.3.2 模糊控制 317

7.3.3 神经网络控制 323

参考文献 330