自动控制原理及其应用

　　全书以强化工程应用，弱化数学推导为基调，主要内容可分为五大模块：自动控制系统概述（第1章）、控制系统的数学模型（第2章）、控制系统的分析方法（第3~4章）、控制系统的校正（第5章）和控制系统的工程应用（第6~7章）。编者根据全书内容设计了配套讲解视频、课件和习题。第2~7章包含了MATLAB软件在自动控制系统分析中的应用。本书内容由浅入深、循序渐进、环环相扣，蚀刻专科自动化、机电类、电气类、信息类等专业师生使用。

　　徐君燕，女，浙江工业职业技术学院骨干教师，长期从事相关专业的教学和科研，具备较为丰富的教材编写经验和科研经历。

目? ? 录
第 1 章? 自动控制系统概述
1.1 自动控制理论的发展史 / 001
1.2 自动控制系统的基本原理和控制方式 / 002
1.2.1 自动控制系统的基本原理 / 002
1.2.2 自动控制系统的控制方式 / 003
1.3 自动控制系统的组成与分类 / 005
1.3.1 自动控制系统的组成 / 005
1.3.2 自动控制系统的分类 / 007
1.4 自动控制系统的基本要求 / 008
1.5 自动控制系统实例分析 / 009
本章小结 / 012
习题 / 012

第 2 章? 控制系统的数学模型
2.1 微分方程 / 014
2.2 拉氏变换 / 017
2.2.1 拉氏变换的概念 / 017
2.2.2 拉氏反变换 / 019
2.3 传递函数 / 019
2.3.1 传递函数的定义 / 019
2.3.2 传递函数的性质 / 020
2.3.3 传递函数的求取 / 021
2.4 典型环节的传递函数 / 022
2.4.1 比例环节 / 022
2.4.2 积分环节 / 022
2.4.3 微分环节 / 023
2.4.4 惯性环节 / 024
2.5 系统方框图及其等效变换 / 024
2.5.1 方框图 / 024
2.5.2 方框图的等效变换 / 026
2.6 反馈控制系统的传递函数 / 031
2.6.1 系统的开环传递函数 / 031
2.6.2 系统的闭环传递函数 / 031
2.7 MATLAB 在控制系统中的应用 / 032
2.7.1 用 MATLAB 建立传递函数模型 / 032
2.7.2 用 MATLAB 建立系统连接 / 035
本章小结 / 038
习题 / 038

第 3 章? 控制系统的时域分析法
3.1 典型输入信号和时域性能指标 / 041
3.1.1 典型输入信号 / 041
3.1.2 时域性能指标 / 043
3.2 一阶系统的时域分析 / 043
3.2.1 单位阶跃响应 / 044
3.2.2 单位斜坡响应 / 045
3.3 二阶系统的时域分析 / 046
3.3.1 二阶系统的阶跃响应 / 046
3.3.2 系统的暂态性能指标 / 049
3.4 系统的稳定性分析 / 053
3.4.1 系统稳定性的概念和稳定的充要条件 / 053
3.4.2 代数判据 / 056
3.5 系统的稳态误差分析 / 057
3.5.1 稳态误差的计算 / 058
3.5.2 输入信号对稳态误差的影响 / 058
3.5.3 干扰信号作用下的稳态误差 / 063
3.6 MATLAB 在时域分析中的应用 / 063
3.6.1 用 MATLAB 分析线性动态过程 / 063
3.6.2 用 MATLAB 分析系统的稳定性 / 066
3.6.3 用 MATLAB 分析系统的稳态误差 / 068
3.7 哈勃太空望远镜指向系统设计 / 069
本章小结 / 072
习题 / 073

第 4 章? 控制系统的频域分析法
4.1 频率特性 / 076
4.1.1 频率特性的基本概念 / 076
4.1.2 频率特性与传递函数的关系 / 077
4.1.3 频率特性的数学式表示法 / 078
4.1.4 频率特性的图形表示方法 / 079
4.2 典型环节的频率特性 / 081
4.3 系统的开环频率特性 / 088
4.3.1 系统的开环幅相频率特性 / 088
4.3.2 系统的开环对数频率特性 / 091
4.4 奈奎斯特稳定判据 / 095
4.4.1 奈氏稳定判据 / 095
4.4.2 对数频率特性曲线上的表述 / 096
4.5 稳定裕量和系统的相对稳定性 / 097
4.5.1 相位稳定裕量 / 097
4.5.2 增益稳定裕量 / 097
4.5.3 系统开环对数幅频特性与系统性能的关系 / 100
4.6 MATLAB 在频域分析中的应用 / 103
4.6.1 频率特性的概念 / 103
4.6.2 用 nyquist(sys) 绘制奈氏图 / 103
4.6.3 用 bode(sys) 画对数频率特性曲线 / 106
4.6.4 用 margin(sys) 计算增益稳定裕量和相位稳定裕 量 / 108
4.7 RC 低通滤波器的设计 / 109
4.7.1 电路的组成 / 109
4.7.2 电压放大倍数 / 109
4.7.3 低通滤波器的对数频率特性曲线 / 109
本章小结 / 111
习题 / 111

第 5 章? 控制系统的校正
5.1 校正的基本概念 / 114
5.1.1 控制系统的设计步骤 / 114
5.1.2 校正的概念 / 115
5.1.3 校正的方式 / 115
5.2 PID 基本控制规律及对性能的影响 / 116
5.2.1 比例控制器 / 117
5.2.2 比例微分（PD）控制器 / 119
5.2.3 比例积分（PI）控制器 / 121
5.2.4 比例积分微分（PID）控制器 / 124
5.3 反馈校正和复合校正 / 127
5.3.1 反馈校正 / 127
5.3.2 复合校正 / 128
5.4 PID 控制器参数的整定 / 130
5.4.1 临界比例度法 / 130
5.4.2 衰减曲线法 / 133
5.4.3 经验凑试法 / 136
5.5 摩托车距离控制系统设计 / 137
本章小结 / 142
习题 / 143

第 6 章? 直流调速系统
6.1 直流调速系统概述 / 145
6.2 单闭环直流调速系统的工作原理 / 146
6.3 双闭环直流调速系统的工作原理 / 146
6.4 单闭环直流调速系统的设计 / 147
本章小结 / 154
习题 / 154

第 7 章? 伺服系统
7.1 伺服系统概述 / 155
7.1.1 伺服系统的结构组成 / 155
7.1.2 伺服系统的分类 / 156
7.1.3 伺服系统的三种工作模式 / 157
7.1.4 伺服系统的三环结构 / 158
7.2 伺服系统的主要元件 / 159
7.2.1 步进电动机 / 159
7.2.2 伺服电动机 / 165
7.3 位置随动系统的设计与仿真 / 167
7.3.1 位置随动系统的介绍 / 167
7.3.2 位置随动系统的组成 / 168
7.3.3 位置随动系统的设计 / 170
7.3.4 位置随动系统的MATLAB 仿真 / 171
本章小结 / 177
习题 / 178

仿真实验
实验一 MATLAB 在控制系统模型分析中的应用 / 179
实验二 一阶系统动态响应的数字仿真 / 181
实验三 二阶系统动态响应的数字仿真 / 183
实验四 MATLAB 在稳定性和稳态误差分析中的应用 / 183
实验五 MATLAB 在频域分析中的应用 / 185
实验六 PID 控制器 / 186
实验七 PID 参数整定 / 188

参考文献