自动控制原理

　　本书比较全面地阐述自动控制的基本理论及应用。全书共分8章和5个附录，主要内容包括：线性系统数学模型、时域响应分析、根轨迹分析、频域特性分析、控制系统设计与校正、非线性系统分析、采样控制系统，以及在MATLAB与Simulink支持下对控制系统的计算机辅助分析与设计。全书内容取材新颖，阐述深入浅出，为了便于自学，各章均附有丰富的例题和习题。为了方便教学，本书提供电子课件，具体情况请查阅http：／／edu．phei.com．cn。本书可作为自动化等相关专业的本科生教材，也可供相关专业的研究生或从事自动化技术工作的人员参考。前言自动控制原理是自动化学科的重要理论基础，是专门研究有关自动控制系统中基本概念、基本原理和基本方法的一门课程，是高等学校自动化类专业的一门核心基础理论课程。学好自动控制理论对掌握自动化技术有着重要的作用。本书是为适应自动化学科的发展，拓宽专业面、优化整体教学体系的教学改革形势，按照“理论讲透，重在应用”的原则，总结了作者多年的教学经验和课程教学改革的成果，参考了国内外控制理论及应用发展的方向，经反复讨论编写而成的。全书共分8章及5个附录。主要内容分为4大部分：第一部分包括基本概念、线性系统的数学模型、时域响应分析、根轨迹分析、频域特性分析、控制系统设计与校正，这些内容属于线性定常连续控制系统问题，阐明自动控制的3个基本问题，即模型、分析和控制；第二部分阐述非线性系统的基本理论和分析方法，包括相平面法和描述函数法，目的是为学生进一步学习后续课程打下一定的基础；第三部分有意加强作为数字控制理论基础的采样控制系统的讨论，重点介绍采样系统的数学模型、稳定性分析与采样系统的校正；第四部分包括在MATLAB与Simulink支持下对控制系统的计算机辅助分析与设计，设置于附录A及各章的最后一节中。本书是根据目前本科院校自动化专业“自动控制原理”的教学大纲而编写的，适用于自动化专业及其他电气信息类专业本科生使用。编写过程中，作者充分注意到以下几点。（1）注重体系的基本结构，强调控制理论的基本概念、基本原理和基本方法，内容精练，重点突出，不以细节为主。（2）以学生为本，加强能力培养，遵照认识规律，内容叙述力求深入浅出、层次分明；注意理论的完整性与工程实用性相结合，培养学生的工程意识。（3）引入了风靡世界的MATLAB软件实现控制系统的辅助分析和设计，以培养学生现代化的分析与设计能力，以适应21世纪教学现代化的发展要求。（4）为了便于不同层次的学生和读者自学，各章都附有较丰富的、有难度层次的典型例题和习题，并有部分习题要求应用MATLAB求解。（5）给出本书主要专业术语的英文对照，以方便学生阅读相关的英文文献。本书由谢克明主编，王柏林任副主编。参加编写的人员有：谢刚（第2—3章和附录B，C，D，E）、王柏林（第4，7章）、刘文定（第5～6章）、刘宏锦（第8章）和谢克明（第1章和附录A）。全书最后由谢克明统稿。借此衷心感谢本书的主审李友善教授和责任编辑凌毅女士，同时对在本书编写过程中给予过帮助的各位人员表示诚挚的谢意。由于笔者水平有限，书中错误和不妥之处在所难免，恳请广大读者批评指正。

暂缺《自动控制原理》作者简介

第1章 引论
1. 1 开环控制和闭环控制
1. 1. 1 开环控制
1. 1. 2 闭环控制 反馈控制
1. 2 自动控制系统的组成及术语
1, 3 自动控制系统的类型
1. 3. 1 按信号流向划分
1. 3. 2 按系统输入信号划分
1. 3. 3 线性系统和非线性系统
1. 3. 4 定常系统和时变系统
1. 3. 5 连续系统和离散系统
1. 3. 6 单输入单输出系统与多输入多输出系统
1. 4 自动控制系统性能的基本要求
1, 5 自动控制课程的主要任务
1. 5. 1 阶跃函数
1. 5. 2 斜坡函数 等速度函数
l. 5. 3 抛物线函数 等加速度函数
1. 5. 4 脉冲函数
1. 5. 5 正弦函数
1. 6 自动控制系统实例
l. 6. 1 造纸机分部传动控制系统
1. 6. 2 谷物湿度控制系统
1. 6. 3 烘烤炉温度控制系统
本章小结
习题
第2章 线性系统的数学模型
2. 1 线性系统的微分方程
2. 2 微分方程的线性化
2. 3 传递函数
2. 3. 1 传递函数
2. 3. 2 传递函数的特点
2. 3. 3 典型环节的传递函数
2. 4 方框图
2. 4. 1 方框图
2. 4. 2 系统方框图的构成
2. 4. 3 环节间的连接
2. 4. 4 方框图的变换和简化
2. 5 信号流图
2. 5. 1 信号流图的定义
2. 5. 2 系统的信号流图
2. 5, 3 信号流图的定义和术语
2. 5. 4 信号流图的性质
2. 5. 5 信号流图的简化
2. 5. 6 信号流图的增益公式
2. 6 MATLAB中数学模型的表示
2. 6. 1 传递函数
2. 6. 2 传递函数的特征根及零极点图
2. 6. 3 控制系统的方框图模型
2. 6. 4 控制系统的零极点模型
2. 6. 5 状态空间表达式
本章小结
习题
第3章 控制系统的时域分析
3. 1 线性定常系统的时域响应
3. 2 控制系统时域响应的性能指标
3. 2. 1 稳态性能指标
3. 2. 2 动态性能指标
3. 3 线性定常系统的稳定性
3. 3. 1 稳定性的概念
3. 3. 2 线性定常系统稳定的充分必要条件
3. 3. 3 劳斯判据
3. 3. 4 赫尔维茨判据
3. 3. 5 系统参数对稳定性的影响
3. 3. 6 相对稳定性和稳定裕量
3. 4 系统的稳态误差
3. 4. 1 误差及稳态误差的定义
3. 4. 2 稳态误差分析
3. 4. 3 稳态误差的计算
3. 4. 4 应用静态误差系数计算给定信号作用下的稳态误差
3. 4. 5 扰动信号作用下的稳态误差与系统结构的关系
3. 4. 6 改善系统稳态精度的途径
3. 5 一阶系统的时域响应
3. 5. 1 数学模型
3. 5. 2 单位阶跃响应
3. 5. 3 性能指标
3. 5. 4 一阶系统的单位脉冲响应
3. 6 二阶系统的时域响应
3. 6. l 二阶系统的数学模型
3. 6. 2 二阶系统的单位阶跃响应
3. 6. 3 二阶系统的单位脉冲响应
3. 7 高阶系统的瞬态响应
3. 7. 1 高阶系统的瞬态响应
3. 7. 2 高阶系统的降阶
3. 7. 3 零极点对阶跃响应的影响
3. 8 用MATLAB和Simulink进行瞬态响应分析
3. 8. 1 单位脉冲响应
3. 8. 2 单位阶跃响应
3. 8. 3 斜坡响应
3. 8. 4 任意函数作用下系统的响应
3. 8. 5 Simulink中的时域响应举例
本章小结
习题
第4章 根轨迹法
4. 1 根轨迹的基本概念
4. 2 绘制典型根轨迹
4. 3 特殊根轨迹图
4. 4 用MATLAB绘制根轨迹图
4. 5 控制系统的根轨迹分析
本章小结
习题
第5章 控制系统的频域分析
5. 1 频率特性
5. 1. 1 频率特性概述
5. 1. 2 频率特性的求取
5. 1. 3 频域性能指标
5. 2 典型环节的频率特性
5. 2. 1 概述
5. 2. 2 典型环节的频率特性
5. 3 系统的开环频率特性
5. 3. 1 系统的开环对数频率特性
5. 3. 2 系统开环极坐标图 奈氏图
5. 3. 3 最小相位和非最小相位系统
5. 4 奈奎斯特稳定判据
5. 4. 1 映射定理
5. 4. 2 Nyquist轨迹及其映射
5. 4. 3 Nyquist稳定判据
5. 4. 4 Nyquist稳定判据二
5. 4. 5 Nyquist对数稳定判据
5. 5 控制系统的相对稳定性
5. 5. l 增益裕度
5. 5. 2 相角裕量
5. 5. 3 用幅相频率特性曲线分析系统稳定性
5. 6 闭环频率特性
5. 6. 1 等M圆 等幅值轨迹
5. 6. 2 等N圆 等相角轨迹
5. 6. 3 利用等M圆和等N圆求单位反馈系统的闭环频率特性
5. 6. 4 非单位反馈系统的闭环频率特性
5. 7 用频率特性分析系统品质
5. 7. 1 闭环频域性能指标与时域性能指标的关系
5. 7. 2 开环频率特性与时域响应的关系
5. 8 MATLAB频域特性分析
5. 8. 1 Bode图
5. 8, 2 Nyquist图
5. 8. 3 Nichols图
本章小结
习题
第6章 控制系统的设计和校正
6. 1 概述
6. 1. 1 系统的性能指标
6. 1. 2 系统的校正
6. 2 线性系统的基本控制规律
6. 2. 1 比例 P 控制作用
6. 2. 2 比例微分 PD 控制作用
6, 2. 3 积分 I 控制作用
6. 2. 4 比例积分微分 PID 控制作用
6. 3 校正装置及其特性
6. 3. 1 超前校正装置
6. 3. 2 滞后校正装置
6. 3. 3 滞后-超前校正装置
6. 4 采用根轨迹法进行串联校正
6. 4. 1 串联超前校正
6. 4. 2 串联滞后校正
6. 4. 3 滞后-超前校正
6. 5 频率法进行串联校正
6. 5. 1 频率法的串联超前校正
6. 5. 2 频率法的串联滞后校正
6. 5. 3 频率法的串联滞后-超前校正
6. 5. 4 按期望特性对系统进行串联校正
6. 6 反馈校正
6. 6. 1 比例负反馈校正
6. 6. 2 微分负反馈校正
6. 6. 3 反馈校正的设计
6. 7 复合校正
6. 7. 1 反馈控制与前馈校正的复合控制
6. 7. 2 反馈控制与扰动补偿校正的复合控制
6. 8 基于MATLAB和Simulink的线性控制系统设计
6. 8. 1 相位超前校正
6. 8. 2 相位滞后校正
6. 8. 3 Simulink下的系统设计和校正
本章小结
习题
第7章 非线性系统分析
7. 1 常见非线性特性
7. 1. 1 死区特性
7. 1. 2 饱和特性
7. 1. 3 继电特性
7. 1. 4 间隙特性
7. 2 相平面法
7. 2. 1 相平面的基本概念
7. 2. 2 相轨迹图
7. 3 线性系统的相轨迹
7. 3. 1 二阶线性系统的相轨迹
7, 3. 2 奇点的稳定性
7. 4 非线性系统的相平面分析
7. 4. 1 具有饱和特性的非线性系统
7. 4. 2 具有继电特性的非线性系统
7. 5 描述函数法
7. 5. 1 描述函数定义
7. 5. 2 描述函数的计算
7. 5. 3 非线性系统的描述函数分析
7. 6 基于Simulink的非线性系统分析
本章小结
习题
第8章 采样控制系统
8. 1 概述
8. 2 采样过程与采样定理
8. 3 采样信号保持器
8. 3. 1 零阶保持器
8. 3. 2 一阶保持器
8. 4 Z变换
8. 4. 1 Z变换定义
8. 4. 2 Z变换方法
8. 4. 3 Z变换性质
8. 4. 4 Z反变换
8. 5 采样系统的数学模型
8. 5. 1 线性常系数差分方程
8. 5. 2 差分方程求解
8. 5. 3 脉冲传递函数 Z传递函数
8. 6 采样系统的稳定性分析
8. 6. 1 采样系统的稳定条件
8. 6. 2 劳斯稳定判据
8. 6. 3 朱利稳定判据
8. 6. 4 采样周期与开环增益对稳定性的影响
8. 7 采样系统的稳态误差
8. 7. 1 单位阶跃输入时的稳态误差
8. 7. 2 单位斜坡输入时的稳态误差
8. 7. 3 单位加速度输入时的稳态误差
8. 8 采样系统的暂态响应与脉冲传递函数零. 极点分布的关系
8. 9 采样系统的校正
8. 9. 1 数字控制器的脉冲传递函数
8. 9. 2 最少拍系统的脉冲传递函数
8. 9. 3 求取数字控制器的脉冲传递函数
8. 9. 4 关于闭环脉冲传递函数 z 或 z 的讨论
8. 10 MATLAB在采样系统中的应用
8. 10. 1 连续系统的离散化
8. 10. 2 求采样系统的响应
本章小结
习题
附录A 控制系统的Simulink基础知识
附录B 常用函数的拉普拉斯变换表
附录C 常用函数的Z变换表
附录D 本书所用的MATLAB和Simulink命令
附录E 控制理论术语中英文对照
参考文献