自動控制原理

本教材系統地講述了自動控制系統的基本概念、自動控制系統的數學模型、線性系統的時域分析、線性系統根軌跡分析、線性系統的頻域分析、控制系統的綜合與校正、非線性系統、線性離散控制系統等。

《自動控制原理》融入基於項目的認知、發現、探索、創新學習的CDIO工程教學方法，在教材內容的組織上強調工程背景，注重理論聯繫實際，用直觀和感性的物理概念、工程實例以及MATLAB模擬結果，使學生充分理解和掌握控制系統的基本規律和系統綜合方法。

第1章自動控制的一般概念

1.1引言

1.2自動控制的基本原理

1.2.1自動控制問題的引出

1.2.2控制方式

1.3自動控制系統的基本組成

1.4自動控制系統示例

1.4.1函數記錄儀

1.4.2磁碟驅動讀取系統

1.4.3導彈發射架的方位控制

1.4.4機器人

1.5自動控制系統的分類

1.5.1按給定輸入信號特徵分類

1.5.2按系統的數學特性分類

1.5.3其他類型的分類

1.6對自動控制系統的基本要求

1.7控制分析與MATLAB

1.7.1控制系統工具箱（Control System Toolbox）

1.7.2MATLAB輔助分析與設計

1.8自動控制理論的發展概況

1.8.1早期的自動控制

1.8.2經典控制理論

1.8.3現代控制理論

1.9小結

習題

第2章控制系統的數學模型

2.1引言

2.2控制系統的時域數學模型

2.2.1線性元件的微分方程建立

2.2.2控制系統微分方程的建立與求解

2.2.3線性系統的基本特性

2.2.4非線性微分方程的線性化

2.3線性系統的傳遞函數

2.3.1傳遞函數的定義和性質

2.3.2典型元部件的傳遞函數

2.4系統結構圖及其等效變換

2.4.1結構圖的組成與繪製

2.4.2結構圖的等效變換

2.5信號流圖及梅遜公式

2.5.1信號流圖的組成及性質

2.5.2信號流圖的繪製

2.5.3梅遜增益公式

2.6閉環系統的傳遞函數

2.6.1輸入信號作用下的閉環傳遞函數

2.6.2擾動作用下的閉環傳遞函數

2.6.3閉環系統的誤差傳遞函數

2.7控制系統建模的MATLAB方法

2.7.1控制系統模型描述

2.7.2模型轉換

2.7.3系統連接

2.8數學模型的實驗測定法

2.9小結

習題

第3章線性系統的時域分析

3.1反饋控制系統的特性及基本分析

3.1.1開環和閉環控制

3.1.2控制系統的瞬態響應

3.1.3反饋控制系統的干擾信號

3.1.4穩態誤差

3.1.5反饋的代價

3.2控制系統時間響應的性能指標

3.2.1典型輸入信號

3.2.2控制系統的時間響應過程

3.2.3控制系統的時域性能指標

3.3一階系統的時域分析

3.3.1一階系統的數學模型

3.3.2一階系統的單位階躍響應

3.3.3一階系統的單位脈衝響應

3.3.4一階系統的單位斜坡響應

3.4二階系統的時域分析

3.4.1二階系統的數學模型

3.4.2二階系統的單位階躍響應

3.4.3二階系統動態性能指標計算

3.4.4改善二階系統性能的常用方法

3.5高階系統的時域分析

3.5.1高階系統的階躍響應

3.5.2高階系統的閉環主導極點和動態性能分析

3.6線性系統的穩定性

3.6.1穩定的概念

3.6.2線性系統穩定的充要條件

3.6.3線性系統穩定的代數判據

3.7線性系統的穩態誤差

3.7.1誤差與穩態誤差

3.7.2給定信號作用下的穩態誤差計算

3.7.3擾動作用下的穩態誤差計算

3.7.4提高系統控制精度的措施

3.8基本控制律分析

3.8.1比例（P）控制律

3.8.2比例一微分（PD）控制律

3.8.3積分（I）控制律

3.8.4比例一積分（PI）控制律

3.8.5比例一積分一微分（PID）控制律

3.9線性系統時域分析的MATLAB方法

3.9.1穩定性分析

3.9.2動態性能和穩態性能分析

3.10小結

習題

第4章線性系統的根軌跡法

4.1控制系統的根軌跡

4.1.1根軌跡的基本概念

4.1.2閉環零極點與開環零極點的關係

4.1.3根軌跡方程

4.2根軌跡的繪製法則

4.3其他形式的根軌跡

4.3.1參數根軌跡

4.3.2零度根軌跡

4.4基於MATLAB的根軌跡圖繪製

4.4.1rlocus

4.4.2rlocfind

4.5根軌跡法分析

4.5.1閉環零點、極點與時間響應

4.5.2系統性能的定性分析

4.6小結

習題

第5章線性系統的頻域分析法

5.1頻率特性

5.1.1頻率特性的基本概念

5.1.2頻率特性的圖形表示方法

5.2典型環節的伯德圖

5.2.1比例環節

5.2.2積分環節和微分環節

5.2.3慣性環節和一階微分環節

5.2.4振蕩環節

5.2.5二階微分環節

5.2.6延遲環節

5.3開環系統的伯德圖

5.3.1開環伯德圖的繪製

5.3.2最小相位系統

5.4典型環節的極坐標圖及開環系統極坐標圖繪製

5.4.1典型環節的極坐標圖

5.4.2開環極坐標圖及近似繪製

5.5頻域穩定性判據

5.5.1輔助函數F（s）

5.5.2幅角原理

5.5.3奈奎斯特穩定性判據

5.5.4伯德圖上的穩定性判據

5.6穩定裕度

5.6.1相位裕度

5.6.2幅值裕度

5.7閉環頻率特性

5.7.1基本關係

5.7.2矢量表示法

5.7.3閉環頻率特性

5.8基於MATLAB的頻率特性圖繪製

5.8.1伯德（Bode）圖

5.8.2奈奎斯特曲線

5.9頻率特性分析

5.9.1三頻段的概念

5.9.2開環頻域指標與時域指標的關係

5.9.3閉環頻域指標與時域指標的關係

5.10小結

習題

第6章控制系統的綜合與校正

6.1控制系統校正的基本概念

6.1.1性能指標

6.1.2校正方式

6.1.3校正的設計方法

6.2常用校正裝置及其特性

6.2.1串聯超前校正網路

6.2.2串聯滯后校正網路

6.2.3串聯滯后一超前校正網路

6.3串聯校正的頻域法設計

6.3.1串聯超前校正設計

6.3.2串聯滯后校正設計

6.3.3串聯滯后一超前校正設計

6.4反饋校正與複合校正

6.4.1反饋校正的原理與特點

6.4.2複合校正

6.5PID控制器的參數整定

6.5.1衰減曲線法

6.5.2穩定邊界法（Ultimate Sensitivity Method）

6.6小結

習題

第7章非線性系統

7.1控制系統的非線性特性

7.1.1典型的非線性特性

7.1.2非線性系統的若干特徵

7.1.3非線性控制系統的分析方法

7.2描述函數法

7.2.1描述函數定義

7.2.2典型非線性特性的描述函數

7.2.3非線性系統描述函數法分析

7.3相平面法

7.3.1相平面法的基本概念

7.3.2相平面圖的繪製

7.3.3相軌跡的基本特性

7.3.4非線性系統的相平面法分析

7.4非線性系統分析的MATLAB方法

7.4.1微分方程高階數值解法

7.4.2綜合運用：非線性系統的穩定性分析

7.5小結

習題

第8章離散控制系統

8.1離散控制系統基本概念

8.1.1採樣控制系統

8.1.2數字控制系統

8.1.3離散控制系統的特點

8.2信號採樣和復現

8.2.1信號採樣

8.2.2採樣信號頻譜分析

8.2.3採樣定理

8.2.4信號復現

8.3Z變換及反變換

8.3.1Z變換定義

8.3.2Z變換的求法

8.3.3Z變換的性質

8.3.4Z反變換

8.4離散系統的數學模型

8.4.1差分方程

8.4.2脈衝傳遞函數

8.5離散控制系統性能分析

8.5.1離散控制系統的穩定性

8.5.2離散控制系統的穩態誤差

8.5.3離散系統動態性能

8.6線性離散系統分析的MATLAB方法

8.6.1連續系統的離散化

8.6.2離散系統時域分析

8.6.3綜合運用

8.7小結

習題

附錄A拉氏變換與反變換

附錄BMATLAB常用命令索引

參考文獻