自動控制原理

全書共9章：第1章？緒論，介紹自動控制系統的基本概念、定義、術語；第2章？控制系統的數學模型，介紹連續系統的時域模型、復域模型、狀態空間描述；第3章？控制系統的時域分析，對系統動態性能、穩態性能和穩定性進行分析的方法作了詳細的討論；第4章？根軌跡法，介紹根軌跡的繪製方法和利用根軌跡對系統進行分析的基本方法；第5章？控制系統的頻域分析，介紹線性系統頻率特性的概念和頻域分析方法；第6章？線性控制系統設計與綜合，介紹線性系統設計與綜合的基本概念和常用的設計方法；第7章？採樣系統分析，介紹了z變換、脈衝傳遞函數以及離散系統的分析方法；第8章？狀態空間分析設計，討論了線性定常系統的狀態空間分析和基本設計方法；第9章?MATLAB在控制系統分析中的應用，介紹MATLAB在控制系統設計工具箱中的主要函數和應用實例。各學校和專業可根據實際情況，選擇有關章節組織教學。

本書的特點是內容精鍊，重點突出，強調基本概念、基本原理的掌握與應用，特別適合非自動化專業本科生自動控制原理教學的要求。

第1章 緒論 1

1.1 自動控制的基本概念 1

1.1.1 基本概念 1

1.1.2 開環控制與閉環控制的實例 2

1.2 自動控制理論的發展 3

1.3 控制系統的分類 5

1.4 對控制系統的基本要求 6

本章小結 6

習題1 6

第2章 控制系統的數學模型 8

2.1 基本概念 8

2.2 時域模型——微分方程 9

2.2.1 建立系統或元件微分方程的

步驟 9

2.2.2 典型系統的微分方程 10

2.2.3 非線性方程線性化方法 13

2.3 復域模型——傳遞函數 14

2.3.1 傳遞函數的定義 14

2.3.2 傳遞函數的性質和物理意義 15

2.3.3 典型環節的傳遞函數 16

2.3.4 傳遞函數的表示方式和術語 18

2.4 控制系統方塊圖 19

2.4.1 方塊圖簡介 19

2.4.2 方塊圖的化簡 20

2.4.3 閉環系統的方塊圖和傳遞函數 23

本章小結 26

習題2 27

第3章 線性系統的時域分析 29

3.1 系統的穩定性分析 29

3.1.1 穩定的概念 29

3.1.2 穩定的充要條件 30

3.1.3 勞斯穩定判據 31

3.2 二階系統的動態性能分析 36

3.2.1 典型輸入信號 37

3.2.2 動態性能指標 38

3.2.3 二階系統的時域響應 38

3.2.4 高階系統的時域響應 44

3.3 系統穩態性能分析 46

3.3.1 穩態誤差的定義 47

3.3.2 輸入信號作用下系統的穩態

誤差 47

3.3.3 擾動信號作用時系統的穩態

誤差 51

本章小結 53

習題3 53

第4章 根軌跡法 57

4.1 根軌跡的基本概念 57

4.2 繪製根軌跡的基本規則 58

4.3 控制系統根軌跡的繪製 63

4.4 廣義根軌跡 68

4.4.1 以非K*為變參數的根軌跡 68

4.4.2 正反饋系統的根軌跡 69

4.4.3 非最小相位系統的根軌跡 70

4.5 線性系統的根軌跡分析方法 73

4.5.1 主導極點的概念 73

4.5.2 增加開環零極點對根軌跡的

影響 75

本章小結 77

習題4 77

第5章 線性系統的頻域分析法 79

5.1 線性系統的頻率響應 79

5.2 頻率特性的圖形表示 81

5.2.1 幅相頻率特性曲線 81

5.2.2 對數頻率特性曲線 89

5.3 奈奎斯特穩定性判據 97

5.3.1 奈奎斯特穩定判據的數學

基礎 97

5.3.2 奈奎斯特穩定判據 98

5.4 控制系統的相對穩定性 102

5.4.1 相對穩定性 102

5.4.2 穩定裕度的求取 104

5.5 頻域響應分析 107

5.5.1 頻域性能指標 107

5.5.2 頻域指標與時域指標的關係 107

本章小結 110

習題5 110

第6章 線性系統的校正 114

6.1 系統設計與校正的概念 114

6.1.1 系統性能指標 114

6.1.2 校正的實質 115

6.1.3 校正方式 116

6.1.4 對數幅頻特性的形狀對系統

性能指標的影響 116

6.2 常用校正裝置 118

6.2.1 無源超前網路 118

6.2.2 無源滯后網路 119

6.2.3 滯后-超前無源網路 120

6.3 串聯校正的頻率法設計 120

6.3.1 串聯超前校正 120

6.3.2 串聯滯后校正 122

6.3.3 串聯滯后-超前校正 124

6.4 PID調節器 125

6.4.1 PID的基本控制作用 126

6.4.2 PID控制器的參數確定 128

本章小結 131

習題6 131

第7章 採樣系統分析 133

7.1 引言 133

7.2 信號的採樣與保持 133

7.2.1 採樣信號的數學表示 133

7.2.2 採樣信號的頻譜分析 134

7.2.3 採樣定理 135

7.2.4 信號的保持 136

7.3 z變換 137

7.3.1 z變換的定義 137

7.3.2 z變換的求法 137

7.3.3 z變換的性質 139

7.3.4 z反變換 141

7.4 採樣系統的脈衝傳遞函數 143

7.4.1 脈衝傳遞函數的定義和意義 143

7.4.2 脈衝傳遞函數的求法 144

7.4.3 開環脈衝傳遞函數 144

7.4.4 閉環脈衝傳遞函數 145

7.5 採樣系統分析 147

7.5.1 採樣系統的穩定性 147

7.5.2 採樣系統的穩態性能 149

7.5.3 採樣系統的動態性能 151

本章小結 154

習題7 154

第8章 狀態空間分析設計 156

8.1 狀態空間模型 156

8.1.1 狀態變數表達式相關概念 156

8.1.2 由微分方程建立狀態變數

表達式 158

8.1.3 狀態變數表達式和傳遞函數的

關係 163

8.2 狀態空間的線性變換 167

8.2.1 線性變換 167

8.2.2 線性變換的不變性 168

8.2.3 線性系統的規範化 169

8.3 線性定常系統狀態方程的解 174

8.3.1 線性定常系統齊次方程的解 174

8.3.2 狀態轉移矩陣的性質 174

8.3.3 狀態轉移矩陣的求取 176

8.3.4 非齊次狀態方程的解 177

8.4 線性連續系統的可控性與

可觀測性分析 178

8.4.1 線性連續系統的可控性與

可觀測性的概念 178

8.4.2 線性連續系統的可控性判據 179

8.4.3 線性定常連續系統的可觀測性

判據 181

8.4.4 通過線性變換將單輸入系統化

為可控標準型和可觀測

標準型 182

8.4.5 對偶原理 185

8.4.6 傳遞函數與可控性、可觀測性

的關係 185

8.5 線性定常系統的狀態反饋和極點

配置 185

8.5.1 狀態反饋和輸出反饋 185

8.5.2 狀態反饋進行極點的任意配置 187

本章小結 189

習題8 189

第9章 MATLAB在控制系統分析中的

應用 191

9.1 基於MATLAB的數學建模 191

9.1.1 建立傳遞函數模型的MATLAB

相關函數 191

9.1.2 方塊圖的標準連接的MATLAB

相關函數 192

9.1.3 傳遞函數的零極點求取的

MATLAB相關函數 193

9.2 基於MATLAB的時域分析 194

9.2.1 常用函數 194

9.2.2 應用舉例 195

9.3 基於MATLAB的根軌跡分析 199

9.3.1 常用函數 199

9.3.2 應用舉例 200

9.4 基於MATLAB的頻域分析和

設計 202

9.4.1 常用函數 202

9.4.2 應用舉例 203

9.5 基於MATLAB的採樣系統

分析 205

9.5.1 常用函數 206

9.5.2 應用舉例 206

9.6 狀態空間分析 207

9.6.1 常用函數 208

9.6.2 應用舉例 211

參考文獻 214