自动控制原理及应用

第1章绪论

1.1自动控制的发展概述

1.2控制系统工作原理

1.3自动控制系统的类型

1.3.1开环控制系统和闭环控制系统

1.3.2定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统

1.3.3连续控制系统和离散控制系统

1.3.4线性控制系统和非线性控制系统

1.3.5单变量控制系统和多变量控制系统

1.4小结

习题

第2章线性控制系统的运动方程及模型描述

2.1引言

2.2传递函数

2.2.1传递函数的定义

2.2.2传递函数的极点和零点

2.2.3典型环节及其传递函数

2.3线性控制系统的数学模型

2.3.1电气系统的数学模型

2.3.2机械系统的数学模型

2.3.3工业过程装置的数学模型

2.3.4检测与执行装置的数学模型

2.3.5典型对象或环节的数学模型

2.4框图

2.4.1框图的基本符号和连接

2.4.2框图的变换和简化

2.5信号流图

2.5.1信号流图常用术语

2.5.2框图及相应的信号流图

2.5.3框图与信号流图的转换

2.5.4信号流图的运算与简化规则

2.5.5梅森增益公式

2.6应用MATLAB对数学模型进行描述

2.6.1应用MATLAB进行数学模型转换

2.6.2应用MATLAB求系统时域解

2.6.3基于MATLAB求取系统传递函数

2.7运用工程知识解决控制系统复杂工程问题

2.7.1槽式反应器的温度控制系统

2.7.2反应器的温度控制系统框图

2.7.3被控对象的特性分析及数学模型的建立

2.7.4构建适应被控对象特性变化的控制系统

2.8小结

习题

第3章连续控制系统的时域和频域分析方法

3.1引言

3.2连续控制系统的时域分析法

3.2.1典型输入信号

3.2.2控制系统的瞬态响应及性能指标

3.3连续控制系统的根轨迹分析法

3.3.1根轨迹法的基本概念

3.3.2绘制根轨迹的基本条件和规则

3.3.3根轨迹绘制方法举例

3.4连续控制系统的频域分析法

3.4.1频率特性及其与传递函数的关系

3.4.2频率特性的图示方法

3.5基于MATLAB的时域和频域分析方法

3.5.1利用MATLAB求系统的时域响应

3.5.2利用MATLAB计算时域性能指标

3.5.3应用MATLAB分析系统根轨迹

3.5.4应用MATLAB绘制Bode图示例

3.5.5应用MATLAB绘制Nyquist图示例

3.5.6应用MATLAB绘制Nichols图示例

3.6基于学科和专业基础知识分析控制系统复杂工程问题

3.6.1生物发酵过程自动控制系统组成

3.6.2生物发酵过程输入量（控制量）与输出量（被控量）的关联性分析

3.6.3金霉素发酵过程关键变量的优化控制

3.7小结

习题

第4章闭环控制系统的稳定性分析

4.1引言

4.2劳斯稳定判据

4.2.1系统稳定性的初步判别

4.2.2劳斯判据

4.2.3劳斯判据的特殊情况

4.2.4劳斯判据的应用

4.3奈奎斯特稳定判据

4.3.1映射定理

4.3.2奈奎斯特稳定判据原理

4.3.3开环极点或零点位于jω轴上时的奈奎斯特判据

4.4伯德图的稳定性分析

4.4.1增益裕量和相角裕量

4.4.2相角裕量与过渡过程性能指标的关系

4.4.3最小相位系统和非最小相位系统

4.5闭环频率特性

4.5.1由开环频率特性求取闭环频率特性

4.5.2等M圆图和等N圆图

4.5.3尼柯尔斯图线

4.6应用MATLAB判断系统的稳定性

4.7小结

习题

第5章闭环控制系统的误差分析

5.1引言

5.2控制系统的稳态误差

5.2.1稳态误差和误差传递函数

5.2.2控制系统的结构类型

5.2.3给定输入下(随动系统)的稳态误差

5.2.4扰动输入下(定值系统)的稳态误差

5.3稳态误差与对数幅频特性曲线的关系

5.3.1稳态位置误差系数的确定

5.3.2稳态速度误差系数的确定

5.3.3稳态加速度误差系数的确定

5.3.4减小稳态误差的若干措施

5.4使用现代工具对控制系统的复杂工程问题进行预测与模拟

5.4.1基于偏差的自动控制系统构成

5.4.2参数优化（搜索）中存在的问题

5.4.3并行搜索的基本思想

5.4.4基于矩阵的多个单纯形并行搜索

5.4.5应用举例

5.5小结

习题

第6章闭环控制系统的综合校正

6.1引言

6.2控制系统的根轨迹校正方法

6.2.1基于根轨迹的超前校正

6.2.2基于根轨迹的滞后校正

6.3控制系统的频率特性校正方法

6.3.1基于伯德图的超前校正

6.3.2基于伯德图的滞后校正

6.4PID控制器特性分析及应用

6.4.1PID控制规律

6.4.2PID控制器参数对控制过程的影响

6.4.3PID控制器参数对系统根轨迹的影响

6.4.4PID控制器参数对系统频率特性稳定裕量的影响

6.5小结

习题

第7章控制系统的状态空间分析与设计

7.1引言

7.2控制系统的状态空间描述

7.2.1状态空间描述的基本概念

7.2.2状态空间表达式的建立

7.2.3状态空间的线性变换与规范化

7.3线性定常连续系统状态方程的解法

7.4线性系统的能控性和能观性

7.4.1能控性和能观性概念的提出

7.4.2线性定常连续系统能控性定义及其判据

7.4.3线性定常连续系统能观性定义及其判据

7.4.4能控性与能观性的对偶关系

7.4.5能控性和能观性与传递函数(矩阵)的关系

7.5控制系统的状态空间设计

7.5.1状态反馈与极点配置

7.5.2状态重构与状态观测器

7.6MATLAB在状态空间法中的应用

7.6.1状态空间模型建立与转换

7.6.2能控性与能观性的判定

7.6.3状态反馈系统极点配置

7.7小结

习题

附录A

A.1拉氏变换

A.1.1拉氏变换的定义

A.1.2基本函数的拉氏变换

A.1.3拉氏变换的主要运算定理

A.2拉氏变换求解线性常微分方程

A.2.1拉氏反变换

A.2.2拉氏变换的应用举例

A.3海维塞德部分分式展开法

参考文献

本书以工程应用为背景,基于本学科专业教学规范的核心知识点，较全面地阐述了自动控制的基本理论，重点介绍经典控制理论和部分现代控制理论基础,全书共分7章。第1章结合实际介绍自动控制的基本概念；第2章介绍线性控制系统的运动方程及模型描述方法；第3章介绍连续控制系统的时域和频域分析方法；第4章介绍闭环控制系统的稳定性分析方法；第5章介绍闭环控制系统的误差分析方法；第6章介绍闭环控制系统的综合校正方法；第7章介绍控制系统的状态空间分析与设计方法。全书结构有以下特点：既集中介绍了线性连续单变量定常系统理论，又体现了经典的连续多变量系统与现代控制理论的结合，并举例说明如何运用专业基础理论和专业知识分析、研究和设计自动控制系统中复杂工程问题的解决方案。本书以工程应用为背景,理论联系实际，部分例题涉及多个学科领域，适用于测控技术与仪器专业、自动化专业以及相关专业作为教材，也可供有关科技人员参考。

本书是“普通高等学校仪器科学与技术专业系列教材”之一，被评为“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材。