普通高等教育“十二五”规划教材 电气工程、自动化专业规划教材 自动控制原理 第2版PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.1.1 自动控制理论发展简史 1

1.1.2 控制工程实践 3

1.2 自动控制的基本原理 4

1.2.1 人工控制与自动控制 4

1.2.2 开环控制与闭环控制 6

1.2.3 反馈控制系统的基本要求 8

1.3 反馈控制系统的组成 9

1.3.1 按构成系统的基本元件划分 9

1.3.2 按系统内部基本功能环节划分 10

1.3.3 若干常用术语 11

1.4 控制系统的分类 12

1.4.1 按参考输入信号特征分类 12

1.4.2 按系统环节间信号传递形式分类 12

1.4.3 按描述系统的动态方程分类 13

1.5 控制系统应用实例三则 14

1.6 控制系统设计概述 16

1.7 本书内容安排 18

1.7.1 组织结构 18

1.7.2 学习安排 19

1.8 小结 20

习题1 20

第2章 控制系统的数学模型 23

2.1 引言 23

2.2 系统的微分方程 23

2.2.1 列写物理系统的微分方程 23

2.2.2 微分方程的增量化与无因次化 27

2.2.3 非线性微分方程的线性化 28

2.2.4 控制系统的微分方程 30

2.3 传递函数 32

2.3.1 线性系统传递函数的概念和定义 33

2.3.2 传递函数的常用表现形式 34

2.3.3 典型输入信号及其拉普拉斯变换 35

2.3.4 单位脉冲响应函数 37

2.3.5 求解系统输出响应的方法 38

2.3.6 典型环节及其传递函数 41

2.4 结构图 47

2.4.1 结构图的组成和基本连接方式 47

2.4.2 结构图的等效变换 49

2.5 信号流图 51

2.5.1 信号流图及有关术语 51

2.5.2 信号流图的运算 51

2.5.3 信号流图与结构图的对应关系 52

2.5.4 梅逊公式及其应用 53

2.6 输入－输出模型与内部状态模型的关系 55

2.6.1 传递函数模型与相变量型状态流图模型 55

2.6.2 传递函数模型与状态方程模型的相互转换 56

2.7 利用MATLAB的建模和仿真 57

2.7.1 输入传递函数和化简结构图 57

2.7.2 求解系统的输出响应 59

2.8 小结 61

习题2 62

第3章 控制系统的稳定性及特性 69

3.1 引言 69

3.2 反馈控制系统的结构及其传递函数 69

3.2.1 开环传递函数 69

3.2.2 闭环传递函数 70

3.2.3 偏差传递函数 70

3.3 闭环系统的稳定性 71

3.3.1 稳定性的概念和定义 71

3.3.2 闭环传递函数的极点与系统的稳定性 72

3.3.3 劳斯判据及其应用 74

3.4 反馈控制系统的特性 80

3.4.1 瞬态响应的改进 80

3.4.2 稳态误差的减小 81

3.4.3 对内部模型的灵敏度 82

3.4.4 对外部干扰的抑制 83

3.5 复杂反馈控制系统的基本结构及其特性 84

3.5.1 内环反馈校正 85

3.5.2 串级控制 85

3.5.3 前馈－反馈控制 88

3.6 利用MATLAB分析系统的稳定性及特性 89

3.6.1 判定系统的稳定性 89

3.6.2 求解灵敏度函数 91

3.7 小结 91

习题3 92

第4章 线性控制系统的时域分析 97

4.1 引言 97

4.2 测试输入信号与时域性能指标 97

4.2.1 常用测试输入信号 97

4.2.2 时域性能指标 98

4.3 一阶系统的时域分析 99

4.3.1 一阶系统的一般形式 99

4.3.2 一阶系统的单位阶跃响应 100

4.3.3 一阶系统的单位脉冲响应 101

4.4 二阶系统的时域分析 102

4.4.1 二阶系统的一般形式 102

4.4.2 二阶系统的单位阶跃响应 102

4.4.3 二阶系统单位阶跃响应的性能指标 105

4.4.4 二阶系统的单位脉冲响应 109

4.4.5 二阶系统的性能改善 110

4.4.6 具有零点的二阶系统分析 113

4.4.7 扰动作用下的二阶系统分析 117

4.5 高阶系统的时域分析 119

4.5.1 高阶系统的时域响应 119

4.5.2 闭环主导极点 120

4.6 稳态误差分析 122

4.6.1 控制系统的类型 123

4.6.2 参考输入作用下的稳态误差 123

4.6.3 扰动输入作用下的稳态误差 126

4.6.4 提高稳态精度的方法 128

4.7 基本控制规律的时域分析 131

4.7.1 比例（P）控制 132

4.7.2 比例加微分（PD）控制 132

4.7.3 比例加积分（PI）控制 133

4.7.4 比例加积分加微分（PID）控制 134

4.8 利用MATLAB进行控制系统的时域分析 135

4.8.1 参考输入响应分析 135

4.8.2 扰动输入响应分析 136

4.9 小结 137

习题4 138

第5章 根轨迹分析法 143

5.1 引言 143

5.2 根轨迹的基本概念 143

5.2.1 根轨迹图 143

5.2.2 根轨迹方程 145

5.3 绘制根轨迹的一般方法 146

5.3.1 绘制根轨迹的基本法则 147

5.3.2 参数根轨迹的绘制 156

5.4 根轨迹法的扩展应用 157

5.4.1 双回路系统的根轨迹 157

5.4.2 延迟系统的根轨迹 159

5.4.3 0度根轨迹的绘制 162

5.5 开环零、极点对系统根轨迹的影响 164

5.5.1 开环零点对根轨迹的影响 164

5.5.2 开环极点对根轨迹的影响 165

5.5.3 开环偶极子对根轨迹的影响 165

5.6 利用MATLAB分析控制系统的根轨迹 166

5.6.1 绘制根轨迹与求取根轨迹增益 166

5.6.2 分析控制系统的稳定性 168

5.7 小结 169

习题5 169

第6章 频率特性分析法 172

6.1 引言 172

6.2 频率特性的基本概念 172

6.2.1 频率响应与频率特性的定义 172

6.2.2 频率特性的物理意义 174

6.2.3 反馈控制系统的典型频率特性 175

6.3 频率特性图示法 177

6.3.1 幅相频率特性曲线 177

6.3.2 对数频率特性曲线 178

6.3.3 对数幅相特性曲线 179

6.4 系统的开环频率特性 179

6.4.1 基本因式的频率特性 179

6.4.2 幅相频率特性曲线的起点、走向和终点 184

6.4.3 开环对数频率特性曲线的渐近线和转折频率 186

6.4.4 最小相位系统和非最小相位系统 190

6.5 奈奎斯特稳定判据 191

6.5.1 幅角原理 192

6.5.2 幅角原理的应用 193

6.5.3 奈奎斯特稳定判据的应用 194

6.5.4 基于对数频率特性的奈奎斯特稳定判据 199

6.6 稳定裕度 200

6.6.1 幅稳定裕度和相稳定裕度 201

6.6.2 稳定裕度与时域性能指标的关系 204

6.7 基于开环对数频率特性的系统性能分析 206

6.7.1 低频段特性与系统稳态误差的关系 206

6.7.2 中频段特性与系统瞬态性能的关系 207

6.7.3 高频段特性与闭环频率特性的关系 209

6.8 闭环频率特性与系统性能指标 209

6.8.1 闭环频率特性的求取 210

6.8.2 ｜T（jω）｜的特征量与时域性能指标的关系 215

6.8.3 最大峰值指标与稳定裕度指标的关系 216

6.9 基于灵敏度函数的稳态误差分析 218

6.9.1 参考输入作用下系统的稳态误差 218

6.9.2 外部干扰输入作用下系统的稳态误差 219

6.10 基于灵敏度函数幅频特性的系统性能分析 220

6.10.1 灵敏度函数幅频特性与系统动态性能要求 220

6.10.2 加权灵敏度问题与性能权函数 221

6.11 加权灵敏度函数分析的进一步应用 224

6.11.1 采用反馈控制的原因 224

6.11.2 控制系统的鲁棒性 225

6.11.3 鲁棒性能与鲁棒稳定性 227

6.12 利用MATLAB进行控制系统的频率特性分析 229

6.12.1 绘制奈奎斯特图和伯德图 229

6.12.2 分析控制系统的性能 231

6.13 小结 235

习题6 236

第7章 线性控制系统的校正 242

7.1 引言 242

7.2 校正的基本概念 243

7.2.1 校正的动机和期望性能指标 243

7.2.2 校正方式 244

7.2.3 校正装置的设计方法 245

7.2.4 常用校正装置的特性 245

7.2.5 校正装置的实现 250

7.3 频率法设计串联校正 252

7.3.1 超前校正的频率法设计 252

7.3.2 滞后校正的频率法设计 255

7.3.3 滞后－超前校正的频率法设计 257

7.3.4 期望开环对数幅频特性设计法 260

7.4 根轨迹法设计串联校正 261

7.4.1 超前校正的根轨迹法设计 261

7.4.2 滞后校正的根轨迹法设计 264

7.4.3 滞后－超前校正的根轨迹法设计 266

7.5 PID校正 266

7.5.1 PID校正的频率法设计 266

7.5.2 PID校正的参数整定法设计 267

7.6 局部反馈校正 269

7.6.1 局部反馈校正的设计思路 269

7.6.2 局部反馈校正的设计方法 271

7.7 利用MATLAB辅助控制系统的校正设计 274

7.7.1 滞后－超前校正设计 274

7.7.2 PID参数整定法校正设计 280

7.8 小结 282

习题7 283

第8章 线性离散控制系统 287

8.1 概述 287

8.1.1 离散控制系统的基本概念 287

8.1.2 离散控制系统的分析与校正设计方法 289

8.2 信号采样与保持 289

8.2.1 信号采样 289

8.2.2 零阶保持器 292

8.3 离散系统的数学模型 293

8.3.1 z变换 293

8.3.2 z反变换 296

8.3.3 差分方程 298

8.3.4 脉冲传递函数 299

8.4 离散控制系统的稳定性 304

8.4.1 离散系统稳定的充分必要条件 304

8.4.2 稳定判据 305

8.5 离散控制系统的动态性能分析 310

8.5.1 s平面到z平面的映射 310

8.5.2 闭环极点与阶跃响应瞬态分量的关系 311

8.6 离散控制系统的稳态误差分析 314

8.6.1 采样时刻的稳态误差 314

8.6.2 离散控制系统的无差度 314

8.7 离散控制系统的最少拍校正 316

8.7.1 最少拍系统的基本概念 316

8.7.2 最少拍系统的设计 317

8.8 利用MATLAB辅助离散控制系统的分析和校正 318

8.8.1 性能分析 318

8.8.2 校正设计 323

8.9 小结 330

习题8 331

第9章 非线性控制系统 334

9.1 概述 334

9.1.1 非线性特性的类型 334

9.1.2 非线性控制系统的稳定性及特性 335

9.1.3 非线性控制系统的分析与综合 336

9.2 相平面法 337

9.2.1 相平面法的基本概念 337

9.2.2 相平面图的绘制 340

9.2.3 线性系统的相平面图分析 342

9.2.4 非线性系统的相平面图分析 343

9.2.5 非线性控制系统的分区线性化法 346

9.2.6 利用非线性特性改进控制系统的动态性能 351

9.3 描述函数法 354

9.3.1 描述函数与谐波线性化 354

9.3.2 典型非线性特性的描述函数 356

9.3.3 非线性环节的串联与并联 360

9.3.4 非线性控制系统的描述函数分析方法 361

9.3.5 综合问题举例 363

9.4 利用MATLAB分析非线性控制系统 364

9.4.1 绘制非线性控制系统的相轨迹和相平面图 364

9.4.2 判定稳定性及自持振荡 369

9.5 小结 371

习题9 371

附录A 376

习题参考答案 379

参考文献 388