自动控制原理PDF电子书下载

第1章 引论 1

1.1开环控制和闭环控制 3

1.1.1开环控制 3

1.1.2闭环控制（反馈控制） 3

1.2自动控制系统的组成及术语 4

1.3自动控制系统的类型 5

1.3.1按信号流向划分 5

1.3.2按系统输入信号划分 5

1.3.3线性系统和非线性系统 6

1.3.4定常系统和时变系统 6

1.3.5连续系统和离散系统 6

1.3.6单输入单输出系统与多输入多输出系统 6

1.4自动控制系统性能的基本要求 7

1.5自动控制课程的主要任务 8

1.5.1阶跃函数 8

1.5.2斜坡函数（等速度函数） 8

1.5.3抛物线函数（等加速度函数） 9

1.5.4脉冲函数 9

1.5.5正弦函数 10

1.6自动控制系统实例 10

1.6.1造纸机分部传动控制系统 10

1.6.2谷物湿度控制系统 10

1.6.3烘烤炉温度控制系统 11

本章小结 11

习题 12

第2章 线性系统的数学模型 13

2.1线性系统的微分方程 14

2.2微分方程的线性化 18

2.3传递函数 21

2.3.1传递函数 21

2.3.2传递函数的特点 22

2.3.3典型环节的传递函数 23

2.4方框图 28

2.4.1方框图 28

2.4.2系统方框图的构成 28

2.4.3环节间的连接 31

2.4.4方框图的变换和简化 33

2.5信号流图 36

2.5.1信号流图的定义 36

2.5.2系统的信号流图 36

2.5.3信号流图的定义和术语 37

2.5.4信号流图的性质 38

2.5.5信号流图的简化 38

2.5.6信号流图的增益公式 39

2.6 MATLAB中数学模型的表示 41

2.6.1传递函数 41

2.6.2传递函数的特征根及零极点图 42

2.6.3控制系统的方框图模型 44

2.6.4控制系统的零极点模型 45

2.6.5状态空间表达式 45

本章小结 47

习题 47

第3章 控制系统的时域分析 51

3.1线性定常系统的时域响应 52

3.2控制系统时域响应的性能指标 53

3.2.1稳态性能指标 53

3.2.2动态性能指标 53

3.3线性定常系统的稳定性 54

3.3.1稳定性的概念 54

3.3.2线性定常系统稳定的充分必要条件 54

3.3.3劳斯判据 55

3.3.4赫尔维茨判据 59

3.3.5系统参数对稳定性的影响 61

3.3.6相对稳定性和稳定裕量 62

3.4系统的稳态误差 63

3.4.1误差及稳态误差的定义 63

3.4.2稳态误差分析 64

3.4.3稳态误差的计算 65

3.4.4应用静态误差系数计算给定信号作用下的稳态误差 66

3.4.5扰动信号作用下的稳态误差与系统结构的关系 69

3.4.6改善系统稳态精度的途径 70

3.5一阶系统的时域响应 70

3.5.1数学模型 70

3.5.2单位阶跃响应 70

3.5.3性能指标 71

3.5.4一阶系统的单位脉冲响应 71

3.6二阶系统的时域响应 72

3.6.1二阶系统的数学模型 72

3.6.2二阶系统的单位阶跃响应 72

3.6.3二阶系统的单位脉冲响应 77

3.7高阶系统的瞬态响应 79

3.7.1高阶系统的瞬态响应 79

3.7.2高阶系统的降阶 81

3.7.3零极点对阶跃响应的影响 81

3.8用MATLAB和Simulink进行瞬态响应分析 83

3.8.1单位脉冲响应 83

3.8.2单位阶跃响应 84

3.8.3斜坡响应 84

3.8.4任意函数作用下系统的响应 85

3.8.5 Simulink中的时域响应举例 86

本章小结 87

习题 88

第4章 根轨迹法 91

4.1根轨迹的基本概念 92

4.2绘制典型根轨迹 94

4.3特殊根轨迹图 99

4.4用MATLAB绘制根轨迹图 104

4.5控制系统的根轨迹分析 105

本章小结 111

习题 111

第5章 控制系统的频域分析 114

5.1频率特性 115

5.1.1频率特性概述 115

5.1.2频率特性的求取 117

5.1.3频域性能指标 118

5.2典型环节的频率特性 118

5.2.1概述 118

5.2.2典型环节的频率特性 120

5.3系统的开环频率特性 127

5.3.1系统的开环对数频率特性 127

5.3.2系统开环极坐标图（奈氏图） 130

5.3.3最小相位和非最小相位系统 131

5.4奈奎斯特稳定判据 133

5.4.1映射定理 134

5.4.2 Nyquist轨迹及其映射 136

5.4.3 Nyquist稳定判据一 137

5.4.4 Nyquist稳定判据二 138

5.4.5 Nyquist对数稳定判据 140

5.5控制系统的相对稳定性 141

5.5.1增益裕度 142

5.5.2相角裕量 143

5.5.3用幅相频率特性曲线分析系统稳定性 145

5.6闭环频率特性 145

5.6.1等M圆（等幅值轨迹） 146

5.6.2等N圆（等相角轨迹） 147

5.6.3利用等M圆和等N圆求单位反馈系统的闭环频率特性 147

5.6.4非单位反馈系统的闭环频率特性 148

5.7用频率特性分析系统品质 149

5.7.1闭环频域性能指标与时域性能指标的关系 149

5.7.2开环频率特性与时域响应的关系 150

5.8 MATLAB频域特性分析 152

5.8.1 Bode图 153

5.8.2 Nyquist图 154

5.8.3 Nichols图 156

本章小结 158

习题 158

第6章 控制系统的设计和校正 162

6.1概述 163

6.1.1系统的性能指标 163

6.1.2系统的校正 165

6.2线性系统的基本控制规律 166

6.2.1比例（P）控制作用 167

6.2.2比例微分（PD）控制作用 167

6.2.3积分（I）控制作用 169

6.2.4比例积分微分（PID）控制作用 169

6.3校正装置及其特性 172

6.3.1超前校正装置 172

6.3.2滞后校正装置 173

6.3.3滞后-超前校正装置 174

6.4采用根轨迹法进行串联校正 176

6.4.1串联超前校正 176

6.4.2串联滞后校正 179

6.4.3滞后-超前校正 181

6.5频率法进行串联校正 182

6.5.1频率法的串联超前校正 182

6.5.2频率法的串联滞后校正 185

6.5.3频率法的串联滞后-超前校正 187

6.5.4按期望特性对系统进行串联校正 190

6.6反馈校正 191

6.6.1比例负反馈校正 192

6.6.2微分负反馈校正 192

6.6.3反馈校正的设计 193

6.7复合校正 195

6.7.1反馈控制与前馈校正的复合控制 195

6.7.2反馈控制与扰动补偿校正的复合控制 197

6.8基于MATLAB和Simulink的线性控制系统设计 197

6.8.1相位超前校正 197

6.8.2相位滞后校正 198

6.8.3 Simulink下的系统设计和校正 199

本章小结 201

习题 201

第7章 非线性系统分析 205

7.1常见非线性特性 206

7.1.1死区特性 206

7.1.2饱和特性 207

7.1.3继电特性 207

7.1.4间隙特性 208

7.2相平面法 209

7.2.1相平面的基本概念 209

7.2.2相轨迹图 210

7.3线性系统的相轨迹 212

7.3.1二阶线性系统的相轨迹 212

7.3.2奇点的稳定性 214

7.4非线性系统的相平面分析 216

7.4.1具有饱和特性的非线性系统 217

7.4.2具有继电特性的非线性系统 218

7.5描述函数法 220

7.5.1描述函数定义 220

7.5.2描述函数的计算 221

7.5.3非线性系统的描述函数分析 224

7.6基于Simulink的非线性系统分析 226

本章小结 228

习题 229

第8章 采样控制系统 232

8.1概述 233

8.2采样过程与采样定理 235

8.3采样信号保持器 237

8.3.1零阶保持器 238

8.3.2一阶保持器 239

8.4 Z变换 240

8.4.1 Z变换定义 240

8.4.2 Z变换方法 241

8.4.3 Z变换性质 244

8.4.4 Z反变换 246

8.5采样系统的数学模型 248

8.5.1线性常系数差分方程 248

8.5.2差分方程求解 249

8.5.3脉冲传递函数（Z传递函数） 250

8.6采样系统的稳定性分析 256

8.6.1采样系统的稳定条件 256

8.6.2劳斯稳定判据 257

8.6.3朱利稳定判据 259

8.6.4采样周期与开环增益对稳定性的影响 260

8.7采样系统的稳态误差 262

8.7.1单位阶跃输入时的稳态误差 262

8.7.2单位斜坡输入时的稳态误差 263

8.7.3单位加速度输入时的稳态误差 263

8.8采样系统的暂态响应与脉冲传递函数零、极点分布的关系 263

8.9采样系统的校正 267

8.9.1数字控制器的脉冲传递函数 267

8.9.2最少拍系统的脉冲传递函数 268

8.9.3求取数字控制器的脉冲传递函数 271

8.9.4关于闭环脉冲传递函数φ（z）或φe（z）的讨论 272

8.10 MATLAB在采样系统中的应用 275

8.10.1连续系统的离散化 275

8.10.2求采样系统的响应 276

本章小结 278

习题 279

附录A 控制系统的Simulink基础知识 282

附录B 常用函数的拉普拉斯变换表 289

附录C 常用函数的Z变换表 291

附录D 本书所用的MATLAB和Simulink命令 292

附录E 控制理论术语中英文对照 297

参考文献 308