自动控制原理

1 绪论

1.1自动控制理论的形成与发展

1.1.1 经典控制理论阶段

1.1.2现代控制理论阶段

1.1.3智能控制理论阶段

1.2自动控制系统的基本概念

1.2.1人工控制与自动控制的比较

1.2.2开环控制系统

1.2.3闭环控制系统

1.2.4复合控制系统

1.3自动控制系统的基本构成

1.3.1自动控制系统的基本环节

1.3.2自动控制系统的基本变量

1.4自动控制系统的分类

1.4.1线性系统与非线性系统

1.4.2连续系统与离散系统

1.4.3恒值系统与随动系统

1.4.4单输入、输出系统与多输入、输出系统

1.4.5确定性系统与不确定性系统

1.4.6集中参数系统与分布参数系统

1.5自动控制系统的基本要求

1.5.1稳定系统的判别及稳定性的要求

1.5.2动态特性

1.5.3静态特性

1.6教学内容与要求

1.6.1教学内容

1.6.2基本要求

本章小结

习题

2 控制系统的数学模型

2.1线性系统的微分方程

2.2非线性系统的线性化

2.3传递函数

2.3.1传递函数的定义

2.3.2传递函数的基本性质

2.3.3典型环节的传递函数

2.4方框图及其变换

2.4.1方框图

自动控制原理

2.4.2方框图的等效变换

2.5信号流图及其应用

2.5.1信号流图的定义与术语

2.5.2信号流图的基本性质

2.5.3信号流图的绘制

2.5.4信号流图的梅森公式

2.6控制系统的典型传递函数

2.6.1系统的开环传递函数

2.6.2系统的闭环传递函数

2.6.3系统的误差传递函数

2.7用Matlab处理系统数学模型

2.7.1多项式求根

2.7.2传递函数

2.7.3零极点模型

2.7.4方框图

本章小结

习题

3 控制系统的时域分析

3.1典型输入信号

3.2线性定常系统的时域响应与性能指标

3.2.1线性定常系统的时域响应

3.2.2控制系统时域响应的性能指标

3.3一阶系统的时域响应

3.3.1一阶系统的单位阶跃响应

3.3.2一阶系统的单位脉冲响应

3.3.3线性定常系统的重要特性

3.4二阶系统的时域响应

3.4.1二阶系统的数学模型

3.4.2二阶系统的单位阶跃响应

3.4.3二阶系统的单位脉冲响应

3.4.4二阶系统的斜坡响应

3.5高阶系统的时域响应

3.5.1高阶系统单位阶跃响应

3.5.2闭环主导极点

3.6线性定常系统的稳定性

3.6.1控制系统稳定性的概念与条件

3.6.2线性定常系统稳定的充分必要条件

3.6.3劳斯稳定判据

3.6.4劳斯稳定判据的特殊情况

3.6.5赫尔维茨稳定判据

3.6.6稳定判据的应用

3.6.7相对稳定性和稳定裕度

3.7系统的稳态误差

3.7.1误差及稳态误差的基本概念

3.7.2系统稳态误差的计算

3.7.3动态误差系数

3.7.4改善系统稳态精度的途径

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

本章小结

习题

4 根轨迹法

4.1根轨迹法的概念

4.2根轨迹方程

4.3常规根轨迹及其绘制

4.3.1根轨迹的起点和终点

4.3.2根轨迹的分支数、对称性和连续性

4.3.3根轨迹的渐近线

4.3.4实轴上的根轨迹

4.3.5根轨迹的分离点

4.3.6根轨迹的出射角与入射角

4.3.7根轨迹与虚轴的交点

4.3.8闭环极点的和与积

4.3.9开环根轨迹增益Kg的求取

4.3.10绘制根轨迹的一般步骤

4.4广义根轨迹及其绘制

4.4.1参数根轨迹

4.4.2零度根轨迹

4.5用根轨迹分析控制系统

4.5.1基于根轨迹的系统稳定性分析

4.5.2基于根轨迹的系统稳态性能分析

4.5.3基于根轨迹的系统动态性能分析

4.5.4增加零、极点对根轨迹的影响

4.6用Matlab绘制根轨迹

本章小结

习题

5 控制系统的频域分析

5.1频率特性的基本概念

5.1.1频率特性的概念

5.1.2频率特性的表示方法

5.2典型环节的频率特性

5.2.1比例环节的频率特性

5.2.2惯性环节的频率特性

5.2.3积分环节的频率特性

5.2.4微分环节的频率特性

5.2.5振荡环节的频率特性

5.2.6二阶微分环节的频率特性

5.2.7时滞环节的频率特性

5.3系统开环频率特性

5.3.1开环幅相频率特性曲线的绘制

5.3.2开环对数频率特性曲线的绘制

5.3.3开环对数幅频特性低频段特点与系统型别的关系

5.3.4最小相位系统和非最小相位系统

5.4奈奎斯特稳定判据

5.4.1辐角原理

5.4.2奈氏判据

5.4.3奈氏判据在Bode图中的应用

5.5控制系统的相对稳定性

5.5.1相位裕度

5.5.2增益裕度

5.5.3开环对数频率特性与相对稳定性的关系

5.6闭环系统频率特性

5.6.1开环频率特性与闭环频率特性的关系

5.6.2 等M圆图和等N圆图

5.6.3尼柯尔斯图线

5.6.4非单位反馈系统的闭环频率特性

5.7频域性能指标与时域性能指标的关系

5.7.1开环频域性能指标和时域性能指标的关系

5.7.2闭环频域性能指标与时域性能指标的关系

5.8用Matlab进行频域分析

5.8.1频率特性图的绘制

5.8.2相位裕度和增益裕度的计算

5.8.3谐振峰值、谐振频率和系统带宽的计算

本章小结

习题

6 控制系统的校正与设计

6.1控制系统校正的概念

6.2基本控制规律分析

6.2.1比例（P）控制规律

6.2.2比例加微分（PD）控制规律

6.2.3积分（I）控制规律

6.2.4比例加积分（PI）控制规律

6.2.5比例加积分加微分（PID）控制规律

6.3常用校正装置及其特性

6.3.1相位超前校正装置

6.3.2相位滞后校正装置

6.3.3相位滞后超前校正装置

6.4频率法串联校正

6.4.1超前校正

6.4.2滞后校正

6.4.3滞后超前校正

6.4.4按系统期望频率特性进行校正

6.5根轨迹法串联校正

6.5.1超前校正

6.5.2滞后校正

6.5.3滞后超前校正

6.6反馈校正及其参数确定

6.6.1反馈的功能

6.6.2根轨迹法确定反馈校正参数

6.7用Matlab进行控制系统的校正

6.7.1相位超前校正装置

6.7.2相位滞后校正装置

6.7.3滞后超前校正装置

本章小结

习题

7 非线性控制系统

7.1非线性系统概述

7.1.1典型非线性特性

7.1.2非线性系统的基本特征

7.1.3非线性系统的分析方法

7.2描述函数法

7.2.1描述函数法的基本概念

7.2.2典型非线性特性的描述函数

7.2.3用描述函数法分析非线性系统稳定性

7.3相平面法

7.3.1相平面法的基本概念

7.3.2相轨迹的绘制

7.3.3相平面分析

7.4用Matlab进行非线性控制系统分析

本章小结

习题

8 离散控制系统

8.1离散系统的基本概念

8.1.1离散控制系统的定义

8.1.2离散控制系统的特点

8.1.3离散控制系统的研究方法

8.2信号的采样与保持

8.2.1采样过程及其数学描述

8.2.2采样定理

8.2.3信号的复现与零阶保持器

8.3z变换理论

8.3.1z变换的定义

8.3.2z变换的方法

8.3.3z变换基本定理

8.3.4z反变换

8.4离散控制系统的数学模型

8.4.1差分方程

8.4.2脉冲传递函数

8.4.3差分方程和脉冲传递函数的关系

8.5离散控制系统的分析

8.5.1离散控制系统的稳定性

8.5.2离散控制系统的动态性能分析

8.5.3离散控制系统的稳态误差

8.6离散控制系统的数字校正

8.6.1数字控制器的脉冲传递函数

8.6.2最少拍系统设计

8.7应用Matlab分析离散控制系统

本章小结

习题

参考文献

《21世纪电气信息学科立体化系列教材：自动控制原理（第2版）》是为适应应用型本科电子信息科学类、仪器仪表类、电气信息类、自动控制类及电机类各专业的教学需要而编写的。在当今的社会生活中，自动控制技术已经广泛应用于工农业生产、交通运输、航空航天和国防建设等各个领域，自动化控制装置无所不在。特别是计算机技术的迅猛发展，使得一些高要求的控制方法得以实现，自动控制技术迅速普及。可以说，自动控制技术对科学技术现代化的发展作出了重要贡献。自动控制原理是自动控制技术的理论基础，是自动化及其相关专业的基础课。

《21世纪电气信息学科立体化系列教材：自动控制原理（第2版）》普通高等教育层“自动控制原理”课程的教材，正在申评国家十二五规划教材，内容质量较好。