自动控制原理教程

第1章绪论（1）

1.1自动控制理论及应用（1）

1.2自动控制理论的基本内容（1）

1.3自动控制系统的分类（2）

1.3.1按信号传递路径分类（2）

1.3.2按控制作用的特点分类（3）

1.3.3控制系统的其他类型（4）

1.4自动控制系统的基本组成（4）

1.5自动控制系统的基本要求（5）

1.6自动控制系统的分析和设计工具（6）

1.7控制系统实例（7）

小结（9）

习题1（9）

第2章控制系统的数学模型（12）

2.1控制系统的微分方程（12）

2.1.1列写控制系统微分方程的步骤（12）

2.1.2实例（12）

2.1.3线性定常微分方程的求解（14）

2.2控制系统的传递函数（15）

2.2.1传递函数（15）

2.2.2典型环节的传递函数（16）

2.2.3控制系统的传递函数（19）

2.3控制系统的动态结构图（20）

2.3.1动态结构图的概念和组成（20）

2.3.2几个基本概念及术语（20）

2.3.3动态结构图的绘制（22）

2.3.4动态结构图的化简（23）

2.4信号流图（26）

2.4.1信号流图的组成要素及其术语（26）

2.4.2信号流图的代数运算（27）

2.4.3信号流图的绘制（28）

2.4.4信号流图的梅逊公式（30）

2.5在MATLAB中系统数学模型的表示（31）

2.5.1传递函数模型（31）

2.5.2零、极点（ZPK）模型（32）

2.5.3控制系统数学模型之间的转换（33）

2.5.4系统的连接（34）

小结（36）

习题2（36）

第3章控制系统的时域分析（40）

3.1稳定性和代数稳定判据（40）

3.1.1稳定性的概念（40）

3.1.2线性系统稳定的充要条件（41）

3.1.3劳斯判据（42）

3.1.4控制系统的相对稳定性（45）

3.2控制系统的典型输入信号和时域性能指标（46）

3.2.1典型输入信号（46）

3.2.2时域性能指标（48）

3.3一阶系统的时域分析（49）

3.3.1一阶系统的数学模型和动态结构图（49）

3.3.2一阶系统的单位阶跃响应（49）

3.3.3一阶系统的单位斜坡响应（50）

3.3.4一阶系统的单位脉冲响应（51）

3.4二阶系统的时域分析（51）

3.4.1二阶系统的数学模型和动态结构图（51）

3.4.2二阶系统的单位阶跃响应（52）

3.4.3二阶系统的动态性能指标（54）

3.5高阶系统分析（58）

3.5.1高阶系统的瞬态响应（58）

3.5.2闭环主导极点（60）

3.6控制系统稳态误差分析（60）

3.6.1稳态误差定义（60）

3.6.2控制系统的类型（61）

3.6.3给定稳态误差的计算（61）

3.6.4扰动稳态误差的计算（64）

3.7基本控制规律的分析（66）

3.7.1比例（P）控制（66）

3.7.2积分（I）控制（67）

3.7.3比例加积分（PI）控制（67）

3.7.4比例加微分（PD）控制（68）

3.7.5比例加积分加微分（PID）控制（70）

3.8用MATLAB进行系统时域分析（70）

3.8.1应用MATLAB分析系统的稳定性（71）

3.8.2应用MATLAB进行部分分式展开（72）

3.8.3应用MATLAB分析系统的动态特性（73）

3.8.4应用MATLAB获得响应曲线和性能指标（79）

小结（80）

习题3（81）

第4章控制系统的根轨迹法（84）

4.1根轨迹的基本概念（84）

4.1.1根轨迹图（84）

4.1.2根轨迹的幅值条件和相位条件（85）

4.2绘制根轨迹的基本规则（86）

4.3控制系统性能的根轨迹法分析（97）

4.3.1确定闭环极点（97）

4.3.2系统闭环零、极点位置与系统瞬态响应的关系（98）

4.3.3增加开环零点、开环极点对根轨迹的影响（99）

4.4广义根轨迹及其他多种根轨迹（100）

4.4.1广义根轨迹（100）

4.4.2多回路系统的根轨迹绘制（101）

4.4.3正反馈回路的根轨迹（103）

4.5应用MATLAB进行根轨迹分析（105）

4.5.1绘制零、极点图（105）

4.5.2绘制基本根轨迹图（106）

4.5.3确定阻尼比轨迹、无阻尼自然振荡频率n轨迹和根轨迹上任意点的开环根轨迹增益（109）

小结（112）

习题4（112）

第5章控制系统的频率特性法（115）

5.1频率特性的基本概念（115）

5.1.1频率特性的定义（115）

5.1.2频率特性的性质（117）

5.1.3频率特性的表示方法（118）

5.2奈氏曲线（119）

5.2.1典型环节的奈氏曲线（120）

5.2.2系统开环奈氏曲线的绘制（123）

5.2.3奈氏曲线的一般绘制步骤（125）

5.3对数频率特性曲线（伯德图）（128）

5.3.1典型环节的伯德图（128）

5.3.2系统开环伯德图的绘制（134）

5.3.3最小相位系统（137）

5.4奈奎斯特稳定判据（138）

5.4.1系统开环与闭环零、极点间的关系（138）

5.4.2幅角定理（138）

5.4.3奈奎斯特稳定判据（139）

5.4.4奈奎斯特稳定判据在伯德图上的应用（144）

5.5控制系统的相对稳定性（145）

5.6频率特性与系统性能指标的关系（148）

5.6.1闭环频率特性及其性能指标（148）

5.6.2控制系统频域性能指标与时域性能指标的关系（149）

5.6.3开环对数幅频特性与系统动态性能的关系（152）

5.7用MATLAB进行频域分析（154）

小结（165）

习题5（165）

第6章控制系统的校正方法（169）

6.1系统校正的基本概念（169）

6.1.1性能指标（169）

6.1.2校正装置的设计方法（170）

6.1.3校正方式（170）

6.2串联校正（171）

6.2.1超前校正（171）

6.2.2滞后校正（176）

6.2.3滞后-超前校正（180）

6.2.4超前、滞后和滞后-超前校正的比较（182）

6.3串联校正的期望开环对数频率特性设计法（183）

6.4工程设计法（187）

6.5反馈校正（189）

6.6应用MATLAB进行系统校正与设计（194）

小结（203）

习题6（204）

第7章非线性控制系统分析（207）

7.1非线性控制系统的基本概念和特点（207）

7.1.1典型非线性特性（207）

7.1.2非线性系统的特点（209）

7.1.3非线性系统的研究方法（210）

7.2描述函数法（210）

7.2.1描述函数法的基本思想与应用前提（210）

7.2.2描述函数的定义（211）

7.2.3典型非线性环节的描述函数（212）

7.2.4组合非线性环节的描述函数（213）

7.2.5基于描述函数的非线性系统稳定性分析（214）

7.2.6非线性系统存在周期运动时的稳定性分析（214）

7.3相平面法（217）

7.3.1基本概念（217）

7.3.2相平面图绘制方法（217）

7.3.3相平面、相轨迹的特点（219）

7.3.4奇点和奇线（219）

7.3.5非线性系统的相平面法分析（222）

7.3.6非线性系统相平面分区线性化方法（223）

7.4应用MATLAB进行非线性控制系统分析（224）

7.4.1非线性系统的线性化（224）

7.4.2直接求解非线性微分方程（225）

7.4.3运用Simulink分析非线性系统时域响应（225）

小结（227）

习题7（228）

第8章采样控制系统分析（231）

8.1采样控制系统的基本概念（231）

8.1.1采样控制系统中的常用术语（231）

8.1.2采样控制系统的研究方法（232）

8.2采样过程和采样定理（232）

8.2.1采样控制系统的时间信号（232）

8.2.2信号采样及其数学描述（232）

8.2.3采样定理（234）

8.3信号的复现（235）

8.3.1信号保持器（235）

8.3.2零阶保持器（236）

8.3.3零阶保持器的实现（237）

8.4Z变换和脉冲传递函数（237）

8.4.1Z变换的定义（237）

8.4.2常用Z变换的方法（238）

8.4.3Z变换的基本定理（239）

8.4.4Z反变换（242）

8.4.5脉冲传递函数（244）

8.5采样控制系统的性能分析（250）

8.5.1采样控制系统的稳定性分析（250）

8.5.2采样控制系统的动态性能分析（254）

8.5.3采样控制系统的给定稳态误差（258）

8.6用MATLAB进行采样控制系统分析（261）

8.6.1利用MATLAB函数对采样控制系统进行分析（261）

8.6.2用Simulink对采样控制系统进行建模分析（263）

8.6.3采样控制系统的稳定性分析（263）

小结（264）

习题8（265）

附录A拉普拉斯变换（268）

A.1拉普拉斯变换的概念（268）

A.1.1拉普拉斯变换的定义式（268）

A.1.2常用函数的拉普拉斯变换（268）

A.2拉普拉斯变换的性质（269）

A.2.1线性性质（269）

A.2.2微分性质（269）

A.2.3积分性质（270）

A.2.4位移性质（270）

A.2.5延迟性质（270）

A.2.6相似性质（271）

A.2.7初值定理（271）

A.2.8终值定理（271）

A.3拉普拉斯反变换（272）

A.3.1F（s）的所有极点都是不相等的实数（272）

A.3.2F（s）的极点包含有共轭复数（273）

A.3.3F（s）的极点包含有相等的实数（273）

附录B常用函数的拉普拉斯变换与Z变换对照表（275）

附录CMATLAB简介（276）

C.1MATLAB概述（276）

C.2MATLAB的运行环境（276）

C.2.1MATLAB的运行方式（276）

C.2.2MATLAB的窗口（277）

C.2.3MATLAB的帮助系统（277）

C.3MATLAB的数值计算（278）

C.3.1MATLAB的数据类型（278）

C.3.2符号运算（279）

C.3.3矩阵运算（280）

C.3.4关系运算和逻辑运算（280）

C.4MATLAB的程序设计（281）

C.4.1M文件编程（281）

C.4.2程序流程的控制（282）

参考文献（283）

《自动控制原理教程（第2版）》介绍了控制系统的数学模型、时域分析、根轨迹法、频率响应法，控制系统的校正方法、非线性控制系统分析和采样控制系统分析等内容。为了能够使学生更有效地进行控制理论的学习和应用，本书在各章中都加入了基于MATLAB的计算机辅助分析和设计的内容。