自动控制原理

前言

第1章 自动控制系统的基本概念1

1.1 自动控制理论发展1

1.2 自动控制系统的工作原理2

1.3 自动控制系统的种类及应用实例6

1.3.1 自动控制系统分类7

1.3.2 开环控制与闭环控制8

1.3.3 自动控制系统应用实例9

1.4 自动控制系统的性能评价12

1.4.1 稳定性12

1.4.2 准确性12

1.4.3 快速性13

1.5 MATLAB语言简介13

1.6 小结14

习题14

第2章 线性控制系统的数学模型16

2.1 数学模型的概念和建立方法16

2.1.1 控制系统数学模型的定义16

2.1.2 建立数学模型的方法16

2.1.3 数学模型的表示形式17

2.2 控制系统的微分方程17

2.2.1 控制系统微分方程的描述17

2.2.2 控制系统微分方程的建立17

2.2.3 非线性微分方程的线性化23

2.3 控制系统的传递函数24

2.3.1 传递函数的基本概念25

2.3.2 典型环节的传递函数28

2.3.3 传递函数的求取30

2.4 控制系统的框图与信号流图32

2.4.1 系统框图的概念和绘制32

2.4.2 框图的结构变换33

2.4.3 信号流图39

2.4.4 梅森公式40

2.4.5 典型控制系统的传递函数42

2.5 基于MATLAB的线性系统建模44

2.5.1 系统模型描述及转换44

2.5.2 基于Simulink的系统框图及其

化简46

2.6 小结50

习题50

第3章 线性控制系统的时域分析法55

3.1 控制系统的典型输入信号与系统性能指标55

3.1.1 典型输入信号55

3.1.2 系统动态性能指标57

3.2 线性控制系统的稳定性分析58

3.2.1 稳定的基本概念58

3.2.2 线性控制系统稳定的充分必要条件58

3.2.3 劳斯稳定判据59

3.3 线性控制系统的稳态误差分析与计算63

3.3.1 稳态误差的基本概念63

3.3.2 参考输入作用下系统的稳态误差65

3.3.3 干扰输入作用下系统的稳态误差68

3.3.4 稳态误差计算的工程应用71

3.3.5 动态误差系数72

3.4 一阶系统的时域分析74

3.4.1 一阶系统的数学模型74

3.4.2 一阶系统的单位阶跃响应75

3.4.3 一阶系统的单位斜坡响应76

3.4.4 一阶系统的单位脉冲响应77

3.5 二阶系统的时域分析78

3.5.1 二阶系统的数学模型78

3.5.2 二阶系统的单位阶跃响应79

3.5.3 二阶系统的动态性能指标83

3.5.4 二阶系统性能的改善88

3.5.5 初始条件不为零时二阶系统的阶跃响应90

3.6 高阶系统的时域分析92

3.6.1 高阶系统的数学模型92

3.6.2 高阶系统的单位阶跃响应92

3.6.3 闭环主导极点95

3.7 基于MATLAB的线性系统时域分析96

3.8 小结100

习题101

第4章 线性控制系统的根轨迹分析法104

4.1 根轨迹法的基本概念和根轨迹方程104

4.1.1 根轨迹的基本概念104

4.1.2 根轨迹方程106

4.2 绘制根轨迹的基本规则107

4.3 基于根轨迹法的系统性能分析116

4.4 广义根轨迹的绘制119

4.4.1 参数根轨迹的绘制119

4.4.2 零度根轨迹的绘制120

4.5 MATLAB下的线性系统根轨迹123

4.5.1 系统零极点图的绘制123

4.5.2 系统根轨迹的绘制124

4.5.3 计算根轨迹增益函数125

4.6 小结126

习题126

第5章 线性控制系统的频率特性分析法128

5.1 频率特性的基本概念和表示方法128

5.1.1 频率特性的定义128

5.1.2 频率特性的几何表示方法130

5.2 控制系统开环传递函数的对数频率特性132

5.2.1 典型环节的对数频率特性图132

5.2.2 系统开环对数频率特性图137

5.2.3 最小相位系统140

5.3 控制系统开环奈奎斯特图的绘制143

5.3.1 无零点系统开环奈奎斯特图的绘制143

5.3.2 有零点系统开环奈奎斯特图的绘制145

5.4 频域稳定判据与系统稳定性146

5.4.1 奈奎斯特稳定判据147

5.4.2 开环系统含有积分环节时奈氏判据的应用149

5.4.3 奈奎斯特稳定判据在伯德图中的表示形式151

5.4.4 控制系统的相对稳定性153

5.5 系统开、闭环频率特性与时域性能的关系155

5.5.1 系统开环频率特性与时域性能的关系156

5.5.2 系统闭环频率特性与时域性能的关系156

5.5.3 系统的频域指标和时域指标的关系157

5.6 基于MATLAB的线性系统频率特性法分析158

5.7 小结160

习题161

第6章 线性控制系统的串联校正165

6.1 系统校正的基本方式和方法165

6.1.1 校正的基本概念165

6.1.2 校正的基本方式165

6.1.3 系统校正的设计方法166

6.2 常用的校正装置及其特性166

6.2.1 超前校正装置166

6.2.2 滞后校正装置169

6.2.3 滞后?超前校正装置171

6.3 频率特性法的串联校正173

6.3.1 串联超前校正173

6.3.2 串联滞后校正176

6.3.3 串联滞后?超前校正179

6.3.4 串联校正的期望频率特性法182

6.4 PID控制器设计185

6.4.1 PID控制器的工作原理185

6.4.2 PID控制器的工程设计190

6.5 线性系统校正的MATLAB实现191

6.6 小结194

习题194

第7章 线性离散控制系统分析196

7.1 离散系统的基本概念196

7.2 信号采样与保持197

7.2.1 信号采样与采样定理197

7.2.2 保持器200

7.3 z变换202

7.3.1 z变换的定义202

7.3.2 z变换的性质202

7.3.3 z变换的方法204

7.3.4 z反变换206

7.4 线性离散系统的数学模型209

7.4.1 线性常系数差分方程209

7.4.2 脉冲传递函数211

7.4.3 开环系统脉冲传递函数212

7.4.4 闭环系统脉冲传递函数215

7.5 线性离散系统的稳定性与稳态误差216

7.5.1 线性定常离散系统稳定的充要条件216

7.5.2 开环放大倍数和采样周期对离散系统稳定性的影响219

7.5.3 线性离散系统的稳态误差221

7.6 线性离散系统的动态性能分析224

7.6.1 线性离散系统的单位阶跃响应224

7.6.2 闭环极点与动态响应的关系225

7.7 PID控制器227

7.7.1 模拟PID控制器227

7.7.2 数字PID控制器227

7.8 基于MATLAB的线性离散系统分析229

7.9 小结232

习题232

第8章 非线性控制系统分析234

8.1 非线性控制系统概述234

8.1.1 非线性系统数学模型234

8.1.2 常见的非线性特性234

8.1.3 非线性控制系统的特点236

8.2 非线性系统的描述函数法237

8.2.1 描述函数的基本概念237

8.2.2 典型非线性特性的描述函数238

8.2.3 非线性系统的描述函数分析244

8.3 非线性系统的相平面法247

8.3.1 相轨迹的概念247

8.3.2 奇点与极限环248

8.3.3 相轨迹的绘制251

8.3.4 非线性系统的相平面分析252

8.4 利用非线性特性的系统性能改善254

8.5 基于MATLAB的非线性系统分析256

8.6 小结257

习题258

附录260

附录A常用函数的拉普拉斯变换和

z变换对照表260

附录B部分习题答案261

参考文献266

《自动控制原理》是普通高等教育“十二五”电气信息类规划教材之一。《自动控制原理》重点介绍古典控制理论部分，主要涉及线性定常连续系统的理论分析与设计，线性离散系统的理论分析方法，非线性系统的理论分析方法，基于MATLAB的控制系统计算机辅助分析与设计。内容包括：自动控制系统的基本概念、线性控制系统的数学模型、线性控制系统的时域分析法、线性控制系统的根轨迹分析法、线性控制系统的频率特性分析法、线性控制系统的串联校正、线性离散控制系统分析和非线性控制系统分析。书中每章都附有小结、丰富的例题、习题及参考答案，便于读者在使用时能够准确把握各章的要点，提高独立分析问题与解决问题的能力。《自动控制原理》可作为高等院校电气信息类相关专业大、小平台课教学用书，也可作为从事控制工程的科技人员的参考书。