时滞系统低阶控制器设计-参数空间法

内容简介

《时滞系统低阶控制器设计：参数空间法》以作者的科研成果为主线，系统介绍了参数空间图解法在PID控制器和相位超前/滞后补偿器这两类应用广泛的低阶控制器设计中的应用。书中，第1章为绪论，介绍了PID控制器的发展史和展望；第2、3章阐述了两类低阶控制器的基本调节原理以及时滞系统的一些特点和稳定性分析方法；第4章介绍了参数空间法和图解稳定性准则；第5、6章为《时滞系统低阶控制器设计：参数空间法》的重点内容，其中第5章针对各种不同类型的时滞系统模型，采用PID控制器，分别给出了比例增益的允许取值范围和在微分-积分增益平面上的参数稳定域，并在稳定域内进行系统性能设计，第6章则讨论了时滞系统相位超前/滞后补偿器参数稳定域的确定和性能设计问题；第7章给出了参数空间图解法在水箱液位控制系统中的应用。《时滞系统低阶控制器设计：参数空间法》可作为高等院校自动化及相关专业的教师和研究生、科研机构的研究人员的参考书，也可供从事自动控制相关工作的工程技术人员参考。

目录

前言
第1章 绪论
1.1 PID控制器的发展史
1.2 PID控制器的设计和参数整定
1.3 PID控制器的未来发展
本章小结
第2章 低阶控制器的基本调节原理
2.1 PID控制器的调节原理
2.1.1 反馈原理
2.1.2 比例环节的作用
2.1.3 PID控制
2.1.4 积分环节的作用
2.1.5 微分环节的作用
2.2 Ziegler-Nichols参数整定
2.3 相位超前/滞后补偿器的调节原理
2.3.1 相位超前补偿器
2.3.2 相位滞后补偿器
本章小结
第3章 时滞系统及其特性
3.1 概述
3.2 时滞系统的特点
3.2.1 时滞对系统的影响
3.2.2 时滞系统特征根的分布
3.2.3 滞后因子的Pade近似
3.2.4 时滞系统的Nyquist曲线
3.3 时滞特征方程的稳定性
3.4 在控制系统中的应用
3.4.1 稳定性分析
3.4.2 一个例子
本章小结
第4章 参数空间图解法
4.1 概述
4.2 参数平面稳定域
4.3 图解稳定性准则
4.4 PI控制器参数稳定域
本章小结
第5章 时滞系统PID控制
5.1 概述
5.2 典型滞后过程PID控制
5.2.1 一阶滞后过程PID控制
5.2.2 具有实极点的二阶滞后过程PID控制
5.2.3 具有复极点的二阶滞后过程PID控制
5.2.4 高阶滞后过程PID控制
5.3 积分滞后过程PID控制
5.3.1 纯积分(链)滞后过程PID控制
5.3.2 一阶加积分滞后过程PID控制
5.3.3 一阶加双积分滞后过程PID控制
5.4 一般高阶全极点滞后过程PID控制
5.5 带零点的高阶滞后过程PID控制
5.5.1 问题的描述
5.5.2 函数Δi1(s)的一些性质
5.5.3 参数稳定域
5.6 性能设计问题
5.6.1 幅值-相角裕度测试器
5.6.2 经典性能设计
5.6.3 现代性能设计
本章小结
第6章 时滞系统相位超前/滞后补偿
6.1 试凑法
6.2 解析法
6.2.1 参数整定方法
6.2.2 算例
6.3 图解法
6.3.1 问题的描述
6.3.2 参数稳定域
6.3.3 曲线Cn±的性质和增益Kc的取值范围
6.3.4 幅值裕度和相角裕度设计
本章小结
第7章 在液位控制系统中的应用
7.1 单容水箱液位控制
7.1.1 单容水箱的数学模型
7.1.2 仿真与实验
7.2 双容水箱液位控制
7.2.1 双容水箱的数学模型
7.2.2 仿真与实验
本章小结
参考文献

摘要与插图

第1章 绪 论
　　本章将对以PID控制器为代表的低阶控制器的发展史、参数整定方法以及未来的发展进行一定的综述。PID控制器历经近百年的洗礼，经久不衰，即使当今各种控制算法不断涌现，PID控制器仍以其结构简单、易于实现、鲁棒性强和便于操作等特点，被广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等工业控制系统中。是在分布式控制系统、现场总线控制系统和综合自动化系统中，PID控制器仍存在于底层基础控制回路中，被人们形象地称为控制工程中的“面包与奶油”。
　　1.1 PID控制器的发展史
　　1. 第一个时期：1900～1940年
　　1）气动放大器
　　美国的Tagliabue公司于1907年声称在纽约的一个牛奶巴氏消毒器上安装了世界上第一台气动温度控制器。该控制系统采用水蒸气作为热源，气动控制器利用测量元件检测蒸气压力的变化，通过转换器来直接操纵伺服阀，伺服阀再控制主阀来调节蒸气的流量，实现温度的控制。这种控制方式实际上是一种比例控制，但由于伺服阀设计上的问题，它经常工作于“开关”（on-off）控制状态，难于实现的控制。为了克服伺服阀的上述问题，1914年Foxboro仪表公司的Bristol在气动控制系统中引入了一个关键的部件——气动放大器。但气动放大器的引入也带来了新的问题，它的高增益和非线性特性增加了系统的敏感性，以至于经常出现极限环。
　　在实际应用中，为了克服控制器（气动放大器）的高增益所带来的问题，许多仪表制造商使用“旁路”（by-pass）控制机制，即被控制的媒介（如用来加热的蒸气）被分为两路，一路由自动装置来控制，另一路（旁路）则由手动阀门来控制。负载或给定值大的变化由手动调节旁路阀门来控制。另一条改进的途径是采用“两步”控制机制：对应于气动放大器的开关作用，一级的调节阀被设定在预先确定的两个固定位置间运动。
与此同时，气动控制系统也与机电控制系统间存在着竞争。例如，Leeds&Northrup公司提供带有积分作用的机电式控制器。这种控制器可以给出零稳态误差，但是，为了实现稳定操作，电机必须工作于低速状态，因此，对负载或给定值的变化的响应较慢。Leeds（Leeds& Northrup公司的创始人）于1920年获得了一项关于自动控制器的专利。该控制器的修正作用（控制信号）的变化率被设计成是误差信号的变化率，或者是误差信号本身，……