自動控制原理

作者：等

定價：35元

印次：1-2

ISBN：9787302116127

出版日期：2006.01.01

印刷日期：2006.05.29

本書主要介紹分析和設計反饋控制系統的經典理論和應用方法。全書共分8章，內容包括自動控制系統的基本概念，自動控制系統的數學模型，自動控制系統的時域分析法、根軌跡法、頻率特性法，控制系統的校正，非線性控制系統、離散控制系統的分析和綜合應用等。在每章後面分別介紹了MATLAB在自動控制理論中的一些應用，以及如何利用計算機輔助設計方法解決自動控制領域的一些系統分析和設計問題。同時，各章均提供了一定數量的習題，以幫助讀者理解基本概念並掌握分析和設計方法。本書可作為高等學校自動化專業的教材，也可作為電氣工程及其自動化、檢測技術與自動化裝置等自動控制類專業教學用書，還可供從事自動控制系統工程的技術人員參考。

第1章控制系統的基本概念1

1.1引言1

1.2開環控制系統與閉環控制系統1

1.2.1開環控制系統2

1.2.2閉環控制系統3

1.3自動控制系統的組成4

1.3.1基本組成部分4

1.3.2自動控制系統中常用的名詞術語5

1.4自動控制系統的分類6

1.4.1按輸入信號的特點分類6

1.4.2按描述系元件的動態方程分類6

1.4.3按系統的參數是否隨時間而變化分類7

1.4.4按信號的傳遞是否連續分類7

1.5自動控制系統的應用實例8

1.5.1爐溫控制系統8

1.5.2導彈發射架方位控制系統8

1.5.3計算機控制系統9

1.6自動控制理論發展簡史10

1.7對自動控制系統的基本要求12

習題13

第2章自動控制系統的數學模型15

2.1控制系統微分方程的建立15

2.1.1機械系統16

2.1.2電系統——RLC串聯網路17

2.1.3機電系統17

2.2非線性系統微分方程的線性化19

2.2.1小偏差線性化的概念19

2.2.2非線性系統（元件）線性化處理舉例19

2.2.3系統線性化的條件及步驟22

2.2.4關於線性化的幾點說明22

2.3傳遞函數22

2.3.1傳遞函數的定義和性質23

2.3.2用複數阻抗法求電網路的傳遞函數26

2.3.3典型環節及其傳遞函數28

2.4控制系統的結構圖及其等效變換34

2.4.1結構圖的基本概念34

2.4.2結構圖的組成34

2.4.3結構圖的建立34

2.4.4結構圖的等效變換35

2.5自動控制系統的傳遞函數42

2.5.1系統的開環傳遞函數42

2.5.2閉環系統的傳遞函數42

2.5.3閉環系統的偏差傳遞函數43

2.6信號流圖45

2.6.1信號流圖的基本要素45

2.6.2信號流圖的常用術語45

2.6.3信號流圖的性質46

2.6.4信號流圖的等效變換法則46

2.6.5梅遜（Mason）公式48

2.7脈衝響應函數50

2.8控制系統數學模型的MATLAB實現50

2.8.1MATLAB簡介50

2.8.2控制系統的數學模型52

2.8.3應用舉例54

習題56

第3章控制系統的時域分析法61

3.1典型輸入信號和時域性能指標61

3.1.1典型輸入信號61

3.1.2動態過程與穩態過程64

3.1.3時域性能指標64

3.2一階系統的動態性能66

3.2.1一階系統的時域數學模型66

3.2.2一階系統的重要特性69

3.3二階系統的動態性能70

3.3.1數學模型的標準式70

3.3.2典型二階系統的單位階躍響應71

3.3.3典型二階系統動態性能指標74

3.3.4二階系統性能的改善79

3.4高階系統的動態性能82

3.4.1三階系統的單位階躍響應82

3.4.2高階系統的數學模型83

3.4.3高階系統的單位階躍響應83

3.4.4高階系統的分析方法85

3.5穩定性和代數穩定判據86

3.5.1穩定的概念87

3.5.2線性定常系統穩定的充分必要條件87

3.5.3勞斯穩定判據88

3.5.4勞斯穩定判據的應用89

3.6系統穩態誤差分析94

3.6.1誤差與穩態誤差的定義94

3.6.2控制系統的型別95

3.6.3給定輸入下的穩態誤差96

3.6.4擾動作用下的穩態誤差98

3.6.5改善系統穩態精度的方法100

3.7控制系統時域分析的MATLAB應用102

3.7.1基於Toolbox工具箱的時域分析102

3.7.2Simulink104

習題108

第4章根軌跡法112

4.1根軌跡的基本概念112

4.1.1根軌跡概念112

4.1.2根軌跡方程114

4.2繪製根軌跡圖的基本規則115

4.3控制系統根軌跡的繪製125

4.3.1單迴路負反饋系統的根軌跡125

4.3.2參數根軌跡128

4.3.3多迴路系統的根軌跡131

4.3.4正反饋系統的根軌跡132

4.3.5滯后系統的根軌跡134

4.4控制系統的根軌跡分析137

4.4.1閉環零極點與時間響應138

4.4.2條件穩定系統的分析140

4.4.3動態性能分析和開環系統參數的確定140

4.5應用MATLAB繪製系統的根軌跡143

4.5.1繪製根軌跡的相關函數143

4.5.2利用MATLAB繪製系統的根軌跡143

習題146第5章頻率特性法149

5.1頻率特性的基本概念150

5.1.1頻率響應150

5.1.2頻率特性151

5.1.3由傳遞函數求取頻率特性152

5.1.4常用頻率特性曲線154

5.2幅相頻率特性及其繪製155

5.2.1幅相頻率特性曲線（奈氏圖）基本概念155

5.2.2典型環節的奈氏圖156

5.2.3開環奈氏圖的繪製162

5.3對數頻率特性及其繪製167

5.3.1對數頻率特性曲線基本概念167

5.3.2典型環節的伯德圖169

5.3.3開環伯德圖的繪製177

5.3.4最小相位系統180

5.3.5由實測伯德圖求傳遞函數182

5.4奈奎斯特穩定判據183

5.4.1幅角原理184

5.4.2奈奎斯特穩定判據185

5.4.3簡化奈奎斯特穩定判據190

5.4.4奈奎斯特穩定判據在伯德圖上的應用193

5.4.5奈奎斯特穩定判據的其他應用195

5.5控制系統的相對穩定性196

5.5.1幅值穿越頻率ωc與相位穿越頻率ωg197

5.5.2相位裕量198

5.5.3幅值裕量198

5.5.4系統的穩定裕量199

5.6利用開環頻率特性分析系統的性能200

5.6.1開環對數幅頻特性L(ω)低頻段與系統性能的關係200

5.6.2開環對數幅頻特性L（ω)中頻段與系統動態性能的關係202

5.6.3開環對數幅頻特性L(ω)高頻段與系統性能的關係209

5.7閉環系統頻率特性210

5.7.1閉環頻域指標210

5.7.2閉環頻率特性的求取211

5.7.3閉環頻域指標與時域指標的關係219

5.8MATLAB在頻率特性法中的應用221

5.8.1伯德圖的繪製221

5.8.2奈氏圖的繪製223

5.8.3尼柯爾斯圖的繪製224

習題226

第6章控制系統的校正229

6.1控制系統校正的基本概念229

6.1.1控制系統的性能指標229

6.1.2校正的一般概念與基本方法230

6.1.3頻率法校正232

6.1.4其他設計方法233

6.2控制系統的基本控制規律233

6.2.1基本控制規律233

6.2.2比例微分控制（PD控制器）235

6.2.3比例積分控制236

6.2.4比例積分微分控制237

6.3超前校正裝置及其參數的確定238

6.3.1相位超前校正裝置及其特性238

6.3.2系統超前校正的分析法設計242

6.3.3小結245

6.4滯后校正裝置及其參數的確定245

6.4.1相位超前校正裝置及其特性245

6.4.2串聯滯后校正裝置的分析法設計249

6.4.3小結252

6.5滯后超前校正裝置及其參數的確定252

6.5.1相位滯后超前校正裝置及其特性252

6.5.2系統滯后超前校正的分析法設計255

6.5.3小結258

6.6期望對數頻率特性設計法261

6.6.1期望法設計的基本概念261

6.6.2常見系統的期望特性261

6.6.3應用實例264

6.6.4小結269

6.7基於根軌跡法的串聯校正269

6.7.1根軌跡法校正的基本概念269

6.7.2利用根軌跡法設計超前校正裝置271

6.7.3利用根軌跡法設計滯后校正裝置274

6.7.4利用根軌跡法設計滯后超前校正裝置277

6.8反饋校正裝置及其參數的確定277

6.8.1反饋校正的基本概念277

6.8.2反饋校正的設計方法279

6.8.3常用反饋校正形式與功能284

6.8.4小結286

6.9控制系統校正的MATLAB應用286

6.9.1MATLAB函數在控制系統校正中的應用287

6.9.2基於Simulink的系統校正289

習題291

第7章非線性控制系統294

7.1非線性系統的基本概念294

7.1.1非線性系統的數學描述294

7.1.2非線性特性的分類295

7.1.3非線性系統的特點298

7.1.4非線性系統的分析和設計方法299

7.2二階線性和非線性系統的相平面分析299

7.2.1相平面、相軌跡和平衡點心299

7.2.2二階線性系統的特徵301

7.2.3二階非線性系統的特徵303

7.3非線性系統的相平面分析306

7.3.1繪製相軌跡的方法306

7.3.2相軌跡求系統暫態響應309

7.3.3相軌跡分析非線性系統311

7.4非線性特性的一種線性近似表示——描述函數317

7.4.1描述函數的意義317

7.4.2典型非線性特性的描述函數318

7.4.3非線性系統的描述函數分析326

7.5非線性環節的串並聯及系統的變換330

7.5.1系統線性部分的變換與集中330

7.5.2非線性環節串聯的特性331

7.5.3非線性環節並聯的特性332

7.6利用非線性特性改善線性系統的性能333

7.7MATLAB在非線性控制系統中的應用336

7.7.1利用MATLAB分析非線性系統的頻率特性與時域響應337

7.7.2利用MATLAB繪製非線性系統的相平面圖339

習題340

第8章離散控制系統的分析和綜合343

8.1離散控制系統的基本概念343

8.1.1離散控制系統的組成343

8.1.2離散控制系統的研究方法345

8.2採樣過程與採樣定理346

8.2.1採樣過程346

8.2.2採樣定理347

8.2.3零階保持器349

8.3z變換350

8.3.1z變換的定義350

8.3.2z變換的方法351

8.3.3z變換的性質354

8.3.4z反變換359

8.4脈衝傳遞函數364

8.4.1脈衝傳遞函數364

8.4.2開環系統的脈衝傳遞函數366

8.4.3離散控制系統的閉環脈衝傳遞函數369

8.4.4應用z變換分析離散系統的局限性與條件375

8.4.5差分方程378

8.5穩定性分析381

8.5.1離散控制系統穩定的充分必要條件381

8.5.2離散控制系統的勞斯穩定判據384

8.6穩態誤差分析386

8.6.1離散系統採樣瞬時的穩態誤差387

8.6.2離散系統的型別與典型輸入信號作用下穩態誤差387

8.7離散系統的動態性能分析391

8.7.1離散系統的時間響應391

8.7.2閉環極點與動態響應的關係393

8.8離散系統的數字校正396

8.8.1數字控制器的脈衝傳遞函數397

8.8.2最少拍系統設計399

8.9MATLAB在離散控制系統中的應用404

8.9.1利用Toolbox工具箱分析離散系統404

8.9.2利用Simulink分析離散系統406

習題408

附錄A經典控制理論常用辭彙411

附錄B控制系統分析中的MATLAB常用函數416

附錄C1常用信號的拉普拉斯變換421

附錄C2拉普拉斯變換的性質及定理422

參考書目423