1自動控制的基本概念

1.1自動控制的發展簡史001

1.1.1經典控制理論階段002

1.1.2現代控制理論階段002

1.1.3大繫統控制階段003

1.1.4智能控制階段003

1.2自動控制的基本原理004

1.2.1人工控制與自動控制004

1.2.2自動控制繫統的構成005

1.2.3自動控制繫統的基本控制方式006

1.3自動控制繫統的分類007

1.3.1按輸入信號特征分類007

1.3.2按繫統參數特性分類008

1.3.3按繫統數學模型分類008

1.3.4按時間變量特性分類009

1.3.5按變量數目分類009

1.3.6其他分類方法009

1.4對控制繫統性能的基本要求010

1.4.1穩定性010

1.4.2快速性010

1.4.3準確性010

1.5Matlab在自動控制繫統中的應用011

本章小結011

關鍵術語和概念012

習題013



2控制繫統的數學描述

2.1控制繫統的微分方程描述015

2.1.1典型控制繫統的數學模型016

2.1.2非線性微分方程的線性化020

2.2拉普拉斯變換及反變換022

2.2.1Laplace變換的定義022

2.2.2Laplace變換的性質及其應用023

2.2.3Laplace反變換026

2.2.4利用Laplace變換求解線性微分方程028

2.3控制繫統的傳遞函數描述029

2.3.1傳遞函數的概念和性質029

2.3.2典型環節的傳遞函數030

2.4控制繫統的結構圖033

2.4.1結構圖的概念033

2.4.2控制繫統結構圖的建立034

2.4.3結構圖的等效變換035

2.5控制繫統的信號流圖039

2.5.1信號流圖040

2.5.2梅遜公式040

2.6閉環控制繫統的傳遞函數042

2.7控制繫統數學模型的Matlab描述045

本章小結047

關鍵術語和概念047

習題048



3時域分析法

3.1典型輸入信號與時域性能指標054

3.1.1典型輸入信號054

3.1.2繫統的時域性能指標056

3.2一階繫統的時域分析058

3.2.1一階繫統的單位階躍響應058

3.2.2一階繫統的單位脈衝響應059

3.2.3一階繫統的單位斜坡函數響應059

3.3二階繫統的時域分析060

3.3.1二階繫統的單位階躍響應060

3.3.2二階繫統的脈衝響應0633.

3.3欠阻尼二階繫統在單位階躍輸入作用下的瞬態響應指標064

3.3.4改善二階繫統性能的措施070

3.4高階繫統的時域分析071

3.4.1高階繫統的單位階躍響應071

3.4.2主導極點072

3.5線性繫統的穩定性分析073

3.5.1穩定性概念073

3.5.2穩定的充分必要條件074

3.5.3穩定判據076

3.6線性繫統的穩態誤差082

3.6.1穩態誤差概念083

3.6.2穩態誤差的計算084

3.6.3減小或消除穩態誤差的措施089

3.7利用Matlab進行時域分析091

本章小結094

關鍵術語和概念095

習題095



4根軌跡分析法

4.1根軌跡的基本概念098

4.1.1采用解析法繪制根軌跡圖098

4.1.2根軌跡與繫統性能099

4.1.3根軌跡方程100

4.1.4利用試探法確定根軌跡上的點101

4.2根軌跡繪制的基本規則101

4.2.1繪制根軌跡的基本規則101

4.2.2繪制根軌跡舉例112

4.3廣義根軌跡繪制117

4.3.1參變量根軌跡的繪制117

4.3.2正反饋繫統根軌跡的繪制119

4.3.3非小相位繫統的根軌跡122

4.4基於根軌跡的繫統性能分析123

4.4.1開環零、極點對根軌跡的影響123

4.4.2利用根軌跡估算繫統參數與性能127

4.4.3閉環零、極點分布與繫統性能的關繫129

4.5利用Matlab繪制根軌跡圖130

本章小結134

關鍵術語和概念135

習題135



5頻域分析法

5.1頻率特性的基本概念138

5.2頻率特性的圖示方法140

5.2.1極坐標圖140

5.2.2對數坐標圖150

5.3奈奎斯特穩定判據161

5.3.1幅角定理161

5.3.2奈奎斯特穩定判據162

5.4控制繫統的穩定裕量168

5.4.1相角裕量和幅值裕量168

5.4.2穩定裕量的計算169

5.5控制繫統的閉環頻率特性170

5.6頻域響應與繫統性能指標間的關繫173

5.6.1二階繫統173

5.6.2高階繫統174

5.7利用Matlab進行控制繫統的頻域分析175

本章小結176

關鍵術語和概念177

習題178



6線性控制繫統的綜合與校正

6.1綜合與校正的概念181

6.1.1校正的基本方式182

6.1.2基本控制規律182

6.1.3校正裝置及其特性185

6.2串聯校正190

6.2.1串聯超前校正190

6.2.2串聯滯後校正192

6.2.3滯後-超前校正194

6.3反饋校正195

6.3.1反饋校正的基本原理195

6.3.2反饋校正設計196

6.4復合校正199

6.5利用Matlab進行繫統校正200

本章小結202

關鍵術語和概念202

習題203



7離散時間控制繫統

7.1離散繫統的基本概念206

7.2采樣過程與采樣定理208

7.2.1采樣過程及其數學描述208

7.2.2采樣定理210

7.2.3信號的恢復211

7.3Z變換理論213

7.3.1Z變換定義和性質213

7.3.2Z變換方法215

7.3.3Z反變換方法219

7.4離散控制繫統的數學描述221

7.4.1線性常繫數差分方程221

7.4.2脈衝傳遞函數224

7.5離散控制繫統的分析與設計231

7.5.1穩定性分析232

7.5.2瞬態響應235

7.6離散控制繫統的穩態誤差236

7.7離散繫統的數字控制器設計238

7.8離散繫統的Matlab仿真242

本章小結246

關鍵術語和概念247

習題247



8非線性控制繫統

8.1非線性繫統的特點250

8.2典型非線性環節的數學描述251

8.3描述函數法253

8.3.1描述函數的基本概念253

8.3.2典型非線性特性的描述函數254

8.3.3用描述函數分析非線性繫統259

8.4相平面法263

8.4.1相平面圖及繪制方法263

8.4.2奇點與極限環266

8.4.3相平面分析舉例269

8.5非線性繫統的Matlab仿真273

本章小結276

關鍵術語和概念276

習題277



參考文獻

隨著工業生產和科學技術的發展，自動控制繫統已廣泛應用於工農業生產、交通運輸、國防現代化和航空航天等許多領域，具有極其重要的地位。“自動控制原理”專門研究有關自動控制繫統中的基本概念、基本原理和基本方法，是從事自動化相關工作的廣大工程技術人員和科學工作者必不可少的理論基礎課之一。

在科學技術的發展進程中，自動控制原理在內容上有了很大的擴展和更新。一般把20世紀40年代建立的主要處理單輸入單輸出定常反饋繫統的理論稱為經典控制理論，把60年代以來建立的處理多變量和時變繫統的理論稱為現代控制理論。本書對經典控制理論的基本內容作了較為詳細的介紹，旨在闡明自動控制繫統分析與綜合的基本方法。

全書共分8章，前6章涉及線性定常連續繫統的理論，具體包括控制繫統的一般概念，描述控制繫統的數學模型，用於繫統分析的時域法、根軌跡法、頻域法以及綜合校正方法。第7章講述線性定常離散控制繫統理論，介紹z變換理論和描述離散繫統的數學模型，分析離散繫統的瞬態和穩態性能，設計數字控制器等。第8章屬於非線性控制理論，介紹分析非線性繫統的相平面法和描述函數法。

結合自動控制原理基本概念的講解，本書在各章後一節給出相應內容的Matlab仿真實例，應用Matlab控制繫統工具箱進行計算機輔助教學，幫助學生加深對基本原理的理解。同時，各章配有適量的習題，以配合課堂教學，便於學生準確理解有關概念，掌握解題方法和技巧，檢驗計算結果。習題答案在每章後，以二維碼形式給出。每章小結之後給出了關鍵術語英文注釋，可幫助學生掌握專業術語的英文詞彙，更加符合高等教育的國際化需求。

本書是在編著者二十餘年教學講義的基礎上編寫而成的，借鋻國內外優秀教材，合理安排內容，配有豐富例題，難度適中，可供自動化、電氣工程及其自動化、電子信息工程和計算機等專業的學生使用。第1、3、4章由韓敏編寫，第5、8章由潘學軍編寫，第2、6章由席劍輝編寫，第7章由劉穎編寫。全書由韓敏統稿審定。

由於編著者水平有限，書中難免存在一些不妥之處，希望廣大讀者批評指正。



編著者

2020年5月