自动控制原理

　　本书系统地介绍了自动控制的基本理论。全书共八章。第1章介绍自动控制的一些基本概念，第2章介绍连续和离散控制系统的数学描述，第3章介绍基于系统辨识的建模方法，第4章介绍控制系统基于时域和频域的稳定性分析方法，第5章介绍控制系统的时域运动性能分析，第6章介绍连续和离散系统的校正方法，第7章介绍线性连续和离散控制系统的状态空间分析与综合，最后一章介绍非线性控制系统的分析方法，主要是描述函数法和相平面法。本书的特色在于不是采用传统的编排方式，即按照经典控制和现代控制两部分划分的体系，而是按照控制理论的三个任务，即系统建模、系统分析（主要包括动态和静态性能分析、稳定性分析以及系统结构分析）和系统综合校正、来统一编排内容。本书作为高等院校包括电工电子类在内的电类各专业以及非电类相关专业本科生的教材，亦可供从事自动控制科研工作的专业工程技术人员自学和参考。《自动控制原理》不仅是电类学科的一门专业基础课，而且在机械、化工等非电类工程专业的课程设置中也占有重要地位。近年来，甚至是生物和经济类专业的学生中也多有选修这一课程的。自动控制原理教材的编写历来受到国内高校和学术界的重视，已出版了许多不同版本的教材，其中有些优秀版本已被广泛采用。这些教材从使用对象考虑，通常分为自动化专业类和非自动化专业类。自动化专业类的教材一般较为深入和详尽，而非自动化专业类的教材通常较为浅易和简略。从教材的编排方式看，通常又分为两种。第一种方式是将教学内容分为所谓“经典”和“现代”两部分。经典部分介绍基于输入—输出模型（传递函数）的建模、分析与校正方法，现代部分介绍基于状态空间模型的建模、分析与综合方法。第二种方式试图打破经典与现代的界限，将两部分内容糅合在一起。不过，由于基于传递函数的方法和基于状态方程的方法之间存在着明显的差异，要将它们完全融为一体，是相当困难的，实际上也是不必要的。其实，之所以产生“经典”和“现代”的差别，是因为我们过多地关注了自动控制理论的历史形成过程，或者说，过多地关注了这一理论发展过程中所形成的不同方法。正是由于这一原因，即使在经典控制理论这一部分，也要将根轨迹法和频率特性法分章介绍。如果我们将目光转向控制理论的自身内容和体系，不难注意到，控制理论是由三部分——系统建模、系统分析（主要包括动态和静态性能分析、稳定性分析以及系统结构分析）和系统综合校正——有机组合而成的，所有不同的方法都是为了完成这三方面的某些任务。因此，一种自然的教材编排方式是根据控制理论的上述三个任务而不是各种方法来划分章节。这样做的好处，一方面可以避免在介绍不同方法时重复叙述相同的问题，因而节省了教材篇幅和教学用时；另一方面，可以在同一章针对同一问题讲解和比较不同方法，使读者或学生融会贯通，加深理解。促使我们完成这一改革方案的契机是以东南大学为主承担的面向21世纪教育部高等工程教育项目——“电工电子系列课程教学内容与课程体系改革的研究与实践”的实施。这是一个力图使我国电工电子类专业（国外称为EE）的高等教育尽快适应现代化教学需要的教改计划。根据这一项目的设计思想，《自动控制原理》将作为平台课程之一向包括电工电子类在内的电类各相关专业讲授。这就意味着传统意义上的“自动化类”和“非自动化类”的界限将变得模糊。如果采用原来的自动化专业类教材作为平台课程的教材，难免有些专业的学生会觉得难以“消化”。而且作为平台课，课时显然不宜过多，而在较少的课时下采用传统的（通常是上、下两册的）教材，也是不现实的。如果采用原来的非自动化专业类教材，则有些专业（如自动化专业）又会有“吃不饱”的感觉，而且这些教材很难和自动化专业后续的有关控制理论的课程相衔接。因此，编写一本适合平台课的新教材就成了我们实施教改计划的当务之急。授完本书的全部内容约需80学时，但根据专业需要和课时的限制，本书可以按多种“套餐”方式讲授。对于64课时的课程，建议按以下两种方式讲授：第一种方式讲授第1，2，3，4，5，6，7，8章，第二种方式讲授第1，2，3，4，5，6，7章。对于48课时的课程，也可以按两种方式讲授，第一种方式讲授第1，2，3，4，5，6，7，8章，第二种方式讲授第1，2，4，5，7章。上述各种方式都可自成一体。第一种方式可能更适合自动化专业的学生，因为对于这些专业的学生，有些内容，如系统辨识、状态空间法等，可在后续课程中深入学习。第二种方式省去了非线性系统等内容，却包含了线性系统结构分析的内容，使得线性系统的控制原理得以较为完整地讲授，因此它可能更适合非自动化专业的学生，因为对他们而言，可能不会有更多的后续课程来补充控制理论方面的知识。本书是在主编者的教学讲义基础上编写而成的。第1，2，6，7章由田玉平执笔，第3，4，5章由蒋珉执笔，第8章由李世华执笔。全书由田玉平统稿审定。本书的编写和出版得到电子工业出版社和东南大学的大力支持和资助，东南大学自动控制系刘京南教授、东南大学无线电系邹家禄教授对作者的工作给予许多帮助和鼓励，书中插图的计算机绘制由编者们的几位研究生完成。对此，谨致诚挚的谢意！限于作者水平，书中不妥和疏漏之处恐难避免，切望读者批评指正。

　　田玉平，东南大学自动控制系教授，博士生导师，长江学者计划特聘教授。1986年清华大学自动化系本科毕业，获学士学位；1991年莫斯科动力学院自动化与计算机技术系研究毕业，获前苏联自动控制专业哲学博士学位；1996年获俄罗斯技术科学博士学位。曾获全国第二届关肇直奖、第三届全球智能控制与自动化大会最佳理论论文奖和第七届霍英东教育基金。

第1章绪论1
11引言1
12自动控制系统的构成1
13闭环控制和开环控制3
14控制系统的分类4
141恒值调节系统和随动系统4
142线性系统和非线性系统4
143定常系统和时变系统5
144连续系统和离散系统5
第2章控制系统的数学描述7
21引言7
22列写输入—输出运动方程7
221机械系统8
222电路系统11
223机电系统12
224液位系统13
23传递函数与系统框图14
231传递函数14
232方框图15
233典型环节的传递函数18
234方框图化简22
24信号流图与梅逊公式24
241信号流图24
242梅逊公式26
25频率特性函数29
251频率特性函数的定义29
252频率特性的图示方法30
253典型环节的频率特性34
254复杂频率特性图的绘制41
26状态空间模型47
261状态47
262状态空间48
263状态方程和输出方程48
264状态空间模型与输入—输出模型之间的关系53
27采样控制系统的数学描述59
271采样控制系统59
272信号采样与恢复61
273采样系统的差分方程描述64
274Z变换66
275脉冲传递函数71
276离散系统的状态空间模型76
习题78
第3章基于系统辨识的建模方法86
31系统辨识的基本概念86
311系统辨识问题86
312系统辨识的任务及分类87
313系统辨识的基本步骤87
32最小二乘参数估计88
321最小二乘法原理89
322最小二乘估计的批处理算法91
323最小二乘估计量?耐臣菩灾?93
33最小二乘参数估计的递推算法及其推广94
331最小二乘估计的递推算法94
332最小二乘估计的渐消记忆递推算法97
333参数个数的递推99
34系统建模的计算机仿真算法101
341模型的阶次与阶次辨识101
342损失函数检验法102
343系统建模的计算机仿真算法步骤104
习题104
第4章控制系统的稳定性分析106
41稳定性的概念和定义106
42线性系统稳定的充分必要条件110
421状态空间模型110
422输入—输出模型111
423离散控制系统113
43系统稳定性的代数判据115
431连续系统稳定性的代数判据及其应用115
432离散系统稳定性的代数判据123
44根轨迹图及系统稳定性分析128
441根轨迹图的基本?拍?129
442幅值条件和幅角条件130
443绘制根轨迹的基本法则132
444根轨迹图的绘制及系统稳定性分析141
45奈奎斯特稳定性判据145
451幅角定理145
452奈奎斯特稳定性判据149
453开环系统含有积分环节时判据的应用153
454奈奎斯特稳定性判据在波德图中的表示形式156
455稳定裕度157
46利用MATLAB进行稳定性绘图分析161
习题164
第5章控制系统的时域运动性能分析169
51典型输入信号169
52控制系统时域响应的求解171
521利用传递函数求解输出响应172
522利用Ｚ变换法求解差分方程的输出响应174
523利用状态空间模型求解线性定常系统176
524利用状态空间模型求解线性离散系统187
53控制系统瞬态性能分析191
531瞬态性能指标191
532一阶系统瞬态性能分析193
533典型二阶系统瞬态性能分析195
534高阶系统瞬态性能分析212
54控制系统稳态性能分析214
541控制系统的误差与稳态误差214
542误差的数学模型216
543稳态误差分析与静态误差系数217
544控制系统的动态误差223
545扰动输入作用下的稳态误差227
546减小或消除稳态误差的措施229
547离散系统的稳态误差230
55利用MATLAB进行时域分析234
551MATLAB时域响应命令234
552时域响应命令的应用236
553SIMULINK仿真简介241
习题246
第6章系统校正方法251
61引言251
62系统校正的根轨迹法253
621增加零、极点对根轨迹的影响253
622根轨迹校正举例255
623校正装置的实现260
63系统校正的频率响应法261
631开环频率特性与时域性能指标间的关系261
632频率特性法校正举例265
64基本控制规律分析274
641比例控制规律274
642积分控制规律275
643比例加积分控制规律276
644比例加微分控制规律277
645比例加积分加微分控制规律278
646PID控制器的参数调整280
65局部反馈校正281
66离散系统的数学校正285
661概述285
662离散系统校正的根轨迹法285
663离散系统校正的频域法286
664离散系统的最少拍校正法288
习题294
第7章线性控制系统的状态空间分析与综合297
71特征值规范型297
711对角线规范型297
712约当规范型301
72状态能控性305
721状态能控性定义305
722能控性判据307
73状态能观性313
731状态能观性定义313
732能观性判据314
733对偶原理317
74离散系统的能控性和能观性317
75控制系统的结构分解318
751按能控性分解318
752按能观性分解324
753按能控性和能观性分解327
76能控规范型和能观规范型329
761能控规范型330
762能观规范型331
77状态反馈与输出反馈333
771状态反馈和输出反馈的概念333
772状态反馈和输出反馈对系统能控性和能观性的影响335
78闭环系统的极点配置336
781极点配置问题336
782极点配置定理338
783极点配置的阿克曼(Ackermann)公式342
784基于输出反馈的极点配置344
785镇定问题345
79状态观测器设计348
791全维状态观测器348
792降维观测器352
710带有状态观测器的反馈控制系统356
习题360
第8章非线性控制系统365
81概述365
82描述函数法370
83相平面法387
84利用非线性特性改善系统的性能408
习题409
参考文献〖HT〗414