第1章 自动控制的基本概念 1
1.1 自动控制理论概述 1
1.2 简要历史 2
1.3 自动控制系统的组成 3
1.3.1 人工控制与自动控制 3
1.3.2 自动控制的基本概念与组成 3
1.3.3 系统术语 4
1.3.4 自动控制系统的方块图表示 4
1.4 自动控制系统的分类 5
1.4.1 开环控制系统和闭环控制系统 5
1.4.2 定值、随动和程序控制系统 7
1.4.3 线性和非线性控制系统 7
1.4.4 连续和离散控制系统 8
1.4.5 单变量和多变量控制系统 8
1.5 自动控制系统举例 8
1.5.1 温度控制系统 9
1.5.2 位置随动系统 10
1.5.3 自动调速系统 11
1.6 自动控制系统的基本要求 12
1.7 本课程的学习任务与学习要求 13
本章小结 14
习题1 14
第2章 拉普拉斯变换及其应用 16
2.1 拉氏变换的概念 16
2.2 拉氏变换的运算定理 20
2.3 拉氏反变换 25
2.4 拉氏变换应用举例 26
本章小结 32
习题2 32
第3章 自动控制系统的数学模型 34
3.1 控制系统的微分方程 34
3.1.1 控制系统微分方程的建立 34
3.1.2 控制系统微分方程的求解 36
3.2 传递函数 37
3.2.1 传递函数的定义 37
3.2.2 传递函数的求取 38
3.2.3 传递函数的性质 40
3.3 控制系统的动态结构图 40
3.3.1 动态结构图的组成与画法 40
3.3.2 动态结构图的等效变换及化简 43
3.3.3 用公式法求传递函数 48
3.4 典型环节的数学模型及阶跃响应 50
3.4.1 典型环节的数学模型 50
3.4.2 典型环节的传递函数及阶跃响应 53
3.5 控制系统的传递函数 57
本章小结 60
习题3 61
第4章 控制系统的时域分析法 63
4.1 典型控制过程及性能指标 63
4.1.1 典型初始状态 63
4.1.2 典型输入信号 63
4.1.3 阶跃响应的性能指标 65
4.2 一阶系统的时域分析 67
4.3 二阶系统的时域分析 68
4.4 系统稳定性分析 74
4.4.1 稳定的基本概念 74
4.4.2 线性系统稳定的充分必要条件 75
4.4.3 劳斯稳定判据 76
4.4.4 两种特殊情况 77
4.4.5 劳斯稳定判据在系统分析中的应用 78
4.5 稳态性能的时域分析 79
4.5.1 稳态误差的基本概念 79
4.5.2 系统类型 80
4.5.3 参考输入信号作用下的稳态误差 80
4.5.4 扰动输入信号作用下的稳态误差 82
本章小结 84
习题4 84
第5章 控制系统的频域分析法 87
5.1 频率特性的概念 87
5.1.1 频率特性的基本概念 87
5.1.2 频率特性与传递函数的关系 88
5.1.3 频率特性的性质 88
5.1.4 频率特性的图形表示方法 89
5.2 典型环节的伯德图 90
5.2.1 比例环节 90
5.2.2 积分环节 90
5.2.3 微分环节 91
5.2.4 惯性环节 92
5.2.5 比例微分环节 93
5.2.6 振荡环节 94
5.2.7 一阶不稳定环节 96
5.2.8 最小相位系统的概念 96
5.3 系统开环对数频率特性曲线的绘制 99
5.3.1 系统开环对数频率特性曲线绘制的一般步骤 99
5.3.2 开环对数频率特性曲线绘制举例 100
5.4 系统稳定性的频域分析 105
5.4.1 对数频率稳定判据 105
5.4.2 稳定裕量 107
5.5 动态性能的频域分析 109
5.5.1 三频段的概念 109
5.5.2 典型系统 111
本章小结 114
习题5 114
第6章 自动控制系统的校正 118
6.1 常用校正装置 118
6.1.1 无源校正装置 118
6.1.2 有源校正装置 119
6.2 串联校正 120
6.2.1 串联比例校正 121
6.2.2 串联比例微分校正 122
6.2.3 串联比例积分校正 123
6.2.4 串联比例积分微分校正 125
6.3 反馈校正 126
6.4 前馈控制的概念 129
本章小结 130
习题6 131
第7章 直流调速系统 132
7.1 直流调速系统概述 132
7.1.1 直流调速系统的基本概念 132
7.1.2 直流调速的三种方式 133
7.1.3 调压调速的三种主要形式 134
7.1.4 直流调速系统的性能指标 137
7.2 单闭环直流调速系统 140
7.2.1 闭环调速系统常用调节器 140
7.2.2 单闭环直流调速系统 145
7.2.3 无静差调速系统概述及积分控制规律 151
7.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统 152
7.3.1 电流截止负反馈的引入 152
7.3.2 带电流截止负反馈的闭环调速系统静特性 153
7.3.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统启动过程 154
7.4 闭环调速系统设计实例 155
本章小结 160
习题7 160
第8章 PWM直流脉宽调速系统 162
8.1 直流脉宽调制电路的工作原理 163
8.1.1 不可逆、无制动力PWM变换器 163
8.1.2 不可逆、有制动力PWM变换器 164
8.1.3 可逆PWM变换器 165
8.2 脉宽调速系统的控制电路 169
8.2.1 直流脉宽调制器 169
8.2.2 逻辑延时电路 170
8.2.3 基极驱动电路和保护电路 170
8.3 PWM直流调速装置的系统分析 171
8.3.1 总体结构 171
8.3.2 PWM脉宽调制变换器的传递函数 172
8.3.3 系统分析 172
8.4 由PWM集成芯片组成的直流脉宽调速系统实例 172
8.4.1 SG1731芯片简介 172
8.4.2 由SG1731组成的直流调速系统 173
本章小结 174
习题8 175
第9章 位置随动系统 176
9.1 位置随动系统组成及其基本特征 176
9.1.1 位置随动系统的组成 176
9.1.2 位置随动伺服系统的分类 178
9.1.3 随动伺服系统的控制方式 179
9.2 位置伺服系统的部件功能及工作原理 180
9.2.1 位置检测元件 180
9.2.2 执行元件 183
9.2.3 相敏整流与滤波电路 185
9.2.4 放大电路 187
9.3 位置随动伺服系统的控制特点与实例分析 187
9.3.1 系统组成原理图 187
9.3.2 系统组成框图 189
9.3.3 系统自动调节过程 189
9.4 位置伺服系统的控制性能分析与校正设计 189
9.4.1 系统的稳态性能分析 190
9.4.2 系统的动态性能分析 191
本章小结 191
习题9 192
第10章 异步交流电动机变频调速系统 193
10.1 交流变频调速的基本概念 193
10.1.1 交流调速系统简介 193
10.1.2 交流变频调速的基本控制方式 195
10.2 标量控制的变频调速系统 199
10.2.1 控制输出电压的方式 199
10.2.2 U/f比例控制方式 201
10.2.3 转差频率控制方式 203
10.3 矢量控制的调速系统 205
10.3.1 基于转差频率控制的矢量控制方式 206
10.3.2 无速度传感器的矢量控制方式 207
10.4 脉宽调制型交流变频调速系统 208
10.4.1 PWM型变频器工作原理 208
10.4.2 PWM型变频调速系统的主电路 211
10.4.3 PWM型变频调速系统的控制电路 214
本章小结 219
习题10 219
第11章 复杂自控系统建模实例——两轮自平衡小车 221
11.1 两轮自平衡小车简介 221
11.2 两轮自平衡小车的工作原理 222
11.3 倒立摆的分类及研究的意义 223
11.3.1 倒立摆的分类 223
11.3.2 倒立摆研究的意义 224
11.4 倒立摆模型——复杂控制系统的研究方法 225
11.4.1 控制理论的发展历程及系统控制的基本方法 225
11.4.2 非线性系统的线性化方法 225
11.5 自平衡小车的硬件组成及建模分析 226
11.5.1 自平衡小车的系统结构 226
11.5.2 自平衡小车系统的硬件组成及实现 227
11.6 两轮自平衡小车的建模 228
11.6.1 小车车体的运动分析 228
11.6.2 动力学建模 230
11.7 系统非线性模型的线性化 232
11.7.1 基于泰勒级数的近似线性化方法求解过程 232
11.7.2 对具体两轮自平衡小车的近似化线性模型 234
11.8 不同的线性化模型的Matlab性能仿真比较 235
11.8.1 两种模型的可控角范围比较 235
11.8.2 在可控范围内的性能比较 235
11.8.3 系统抗干扰能力的比较 236
11.8.4 灵敏度的比较 238
本章小结 238
附录 240
附录一 自动控制原理虚拟实验系统的开发与应用 240
附录二 自动控制技术常用术语中、英文对照 249
参考文献 257