第1章緒論1
1.1控制與自動控制1
1.2自動控制繫統發展簡史2
1.2.1前期控制階段2
1.2.2經典控制階段4
1.2.3現代控制階段5
1.3自動控制繫統的組成及相關術語6
1.4自動控制繫統的分類7
1.4.1按繫統結構特點分類7
1.4.2按輸入信號特征分類10
1.4.3按繫統的數學模型分類11
1.4.4按繫統傳遞信號的性質分類11
1.5自動控制繫統的基本要求12
1.6自動控制繫統的分析設計步驟12
1.7自動控制繫統的計算機仿真環境13
1.8本章小結13
1.9習題14
第2章線性繫統的數學模型17
2.1繫統建模的方法17
2.2線性繫統微分方程描述18
2.2.1線性繫統微分方程的建立18
2.2.2線性繫統微分方程求解19
2.3控制繫統的傳遞函數20
2.3.1傳遞函數的定義20
2.3.2傳遞函數的表示形式20
2.3.3傳遞函數的性質22
2.3.4傳遞函數的求取22自動控制原理與仿真實驗目錄2.4基於MATLAB的傳遞函數模型仿真實例23
2.5繫統結構圖27
2.5.1繫統結構圖的基本組成與繪制27
2.5.2繫統結構圖的等效變換28
2.6控制繫統的典型環節33
2.7基於MATLAB的結構圖等效變換仿真實例38
2.8信號流圖與梅森增益公式41
2.8.1信號流圖的組成41
2.8.2信號流圖的性質42
2.8.3梅森增益公式42
2.8.4結構圖與信號流圖的轉換43
2.9本章小結44
2.10習題45
2.11基於MATLAB的數學模型綜合仿真實驗題48
第3章控制繫統時域分析法50
3.1穩定性分析50
3.1.1繫統穩定性的概念50
3.1.2繫統穩定的充分必要條件51
3.1.3特征根分析法53
3.1.4勞斯穩定判據53
3.1.5勞斯穩定判據的應用56
3.2基於MATLAB的穩定性分析仿真58
3.3典型輸入信號61
3.4控制繫統時域分析65
3.4.1動態性能指標65
3.4.2穩態性能指標67
3.5動態性能分析67
3.5.1一階繫統動態性能分析67
3.5.2二階繫統動態性能分析69
3.5.3二階繫統動態性能指標計算72
3.5.4高階繫統動態性能近似分析76
3.6基於MATLAB的動態性能分析仿真79
3.7穩態性能分析86
3.7.1誤差與穩態誤差86
3.7.2穩態誤差的定義86
3.7.3典型閉環控制繫統的穩態誤差87
3.7.4輸入信號作用下的繫統穩態誤差88
3.7.5擾動信號作用下的繫統穩態誤差93
3.7.6改善穩態精度的方法95
3.8基於MATLAB的穩態性能分析仿真96
3.8.1終值定理輔助計算穩態誤差96
3.8.2SIMULINK輔助輸出穩態誤差97
3.9本章小結99
3.10習題100
3.11基於MATLAB的時域分析綜合仿真實驗題104
3.11.1穩定性分析104
3.11.2動態性能分析105
3.11.3穩態性能分析106
第4章控制繫統根軌跡分析法107
4.1根軌跡的基本概念107
4.2根軌跡方程109
4.3根軌跡繪制的基本規則112
4.4根軌跡繪制示例115
4.5廣義根軌跡121
4.5.1參數根軌跡121
4.5.2正反饋繫統根軌跡121
4.6基於MATLAB的根軌跡繪制仿真123
4.6.1MATLAB繪制根軌跡的相關函數124
4.6.2根軌跡繪制仿真實例124
4.7基於MATLAB的根軌跡分析仿真129
4.7.1利用根軌跡分析控制繫統的穩定性129
4.7.2利用根軌跡分析控制繫統的動態性能131
4.7.3利用根軌跡分析控制繫統的穩態性能133
4.7.4增加開環零點對根軌跡及繫統性能的影響133
4.7.5增加開環極點對根軌跡及繫統性能的影響135
4.7.6MATLAB圖形化根軌跡分析工具rltool137
4.8本章小結140
4.9習題142
4.10基於MATLAB的根軌跡分析綜合仿真實驗題143
第5章控制繫統頻域分析法146
5.1頻率特性的基本概念146
5.1.1頻率特性的定義146
5.1.2頻率特性的性質149
5.1.3頻率特性的表示方法149
5.2典型環節頻率特性152
5.2.1比例環節152
5.2.2積分環節153
5.2.3純微分環節154
5.2.4慣性環節155
5.2.5一階微分環節156
5.2.6振蕩環節157
5.2.7二階微分環節158
5.2.8小相位繫統與非小相位繫統159
5.3繫統開環頻率特性曲線的繪制160
5.3.1開環幅相頻率特性161
5.3.2開環對數頻率特性164
5.4利用頻率特性法分析線性繫統的性能167
5.4.1奈奎斯特穩定判據167
5.4.2對數穩定判據171
5.4.3穩定裕量172
5.4.4開環頻率特性的三頻段概念174
5.5基於MATLAB的頻域分析仿真176
5.5.1MATLAB頻域分析的相關函數176
5.5.2利用MATLAB進行頻域分析示例177
5.6本章小結189
5.7習題191
5.8基於MATLAB的頻域分析綜合仿真實驗195
第6章控制繫統的校正197
6.1控制繫統校正概述197
6.1.1校正的基本概念197
6.1.2控制繫統的性能指標198
6.1.3繫統校正方式198
6.2常用校正方法200
6.2.1串聯超前校正200
6.2.2串聯滯後校正206
6.2.3串聯滯後—超前校正213
6.3PID校正218
6.3.1比例控制219
6.3.2積分控制220
6.3.3比例—積分控制221
6.3.4微分控制223
6.3.5比例—微分控制224
6.3.6比例—積分—微分控制225
6.3.7比例—積分—微分控制時域分析227
6.4基於MATLAB的控制繫統校正仿真229
6.4.1基於MATLAB的串聯超前校正229
6.4.2基於MATLAB的串聯滯後校正234
6.4.3基於MATLAB的串聯滯後—超前校正238
6.4.4基於MATLAB的PID控制240
6.5本章小結249
6.6習題250
6.7基於MATLAB的控制繫統校正仿真實驗253
參考文獻255

在現代科學技術的發展進程中，自動控制技術舉足輕重。自動控制原理研究的是自動控制的共同規律，是自動化專業與電氣信息類專業重要的自動控制技術基礎課程。隨著自動控制技術在越來越多領域的應用，自動控制原理也成為各高校越來越多理工科專業的必修課程之一。
編者從應用型本科高校的教學需求出發編寫了本書，其具有如下特點。
(1) 結構清晰。本書主要圍繞經典控制理論展開敘述，全書共6章，根據控制繫統實現的主要流程進行結構設置: 控制繫統基礎知識、控制繫統數學模型(繫統構建)、時域分析法、根軌跡分析法、頻域分析法(繫統分析)、超前滯後校正與PID控制(繫統校正)。
(2) 案例教學。每一個基礎知識點後都有相關例題進行解釋與驗證。
(3) 重視實踐。本書結合應用型本科高校的教學需求，在教學內容中專門設置了仿真實驗，引入MATLAB進行計算機輔助分析與設計。本書通過大量仿真實驗例題進行知識點講解，還配置了獨立的仿真實驗習題與答案，方便教師講授與學生學習，形成了理論引導實踐，實踐驗證理論的良好循環。
(4) 教學資源豐富。本書提供配套的教案、教學課件、課後習題答案及仿真實驗習題答案，教學資源豐富。
課程教學參考學時為56學時，其中理論知識講授32學時，配套仿真實驗24學時，可根據專業與課時限制加以取舍與調整。本書適用於各應用型本科高校與高等職業院校物聯網工程、人工智能、電子信息、計算機、機械、材料、化工等專業的自動控制原理課程。
本書由林雯擔任主編，黃堃、張振敏擔任副主編，編委包括林旭雲、連仁包、張暉。其中，第1章由張振敏與林雯共同編寫，第2、第3章由林雯編寫，第4、第5章由黃堃編寫，第6章由黃堃與林雯共同編寫。林旭雲、連仁包、張暉參與部分內容的整理與編寫工作。全書由林雯負責統稿。
在本書的編寫過程中，編者查閱和參考了大量文獻資料，在此特別感謝參考文獻的作者。本書的出版同時得到了省、學校及學院等各級領導的大力支持，感謝福建省本科高校教育教學改革研究項目(FBJG20200095)、福建江夏學院重點教學改革項目(J2020A005)、福建江夏學院精品自編教材建設項目的支持與資助；感謝兄弟院校的協助。
由於編者水平有限，書中難免有不足之處，敬請使用本書的教師與讀者批評、指正。

自動控制原理與仿真實驗前言編者
2022年8月