●第2版前言
第1版前言
第1章 緒論1
1.1 引言1
1.1.1 自動控制理論發展簡史1
1.1.2 控制工程實踐3
1.2 自動控制的基本原理4
1.2.1 人工控制與自動控制4
1.2.2 開環控制與閉環控制6
1.2.3 反饋控制繫統的基本要求8
1.3 反饋控制繫統的組成9
1.3.1 按構成繫統件劃分9
1.3.2 按繫統內部基本功能環節劃分10
1.3.3 若干常用術語11
1.4 控制繫統的分類12
1.4.1 按參考輸入信號特征分類12
1.4.2 按繫統環節間信號傳遞形式分類12
1.4.3 按描述繫統的動態方程分類13
1.5 控制繫統應用實例三則14
1.6 控制繫統設計概述16
1.7 本書內容安排18
1.7.1 組織結構18
1.7.2 學習安排19
1.8 小結20
習題120
第2章 控制繫統的數學模型23
2.1 引言23
2.2 繫統的微分方程23
2.2.1 列寫物理繫統的微分方程23
2.2.2 微分方程的增量化與無因次化27
2.2.3 非線性微分方程的線性化28
2.2.4 控制繫統的微分方程30
2.3 傳遞函數32
2.3.1 線性繫統傳遞函數的概念和定義33
2.3.2 傳遞函數的常用表現形式34
2.3.3 典型輸入信號及其拉普拉斯變換35
2.3.4 單位脈衝響應函數37
2.3.5 求解繫統輸出響應的方法38
2.3.6 典型環節及其傳遞函數41
2.4 結構圖47
2.4.1 結構圖的組成和基本連接方式47
2.4.2 結構圖的等效變換49
2.5 信號流圖51
2.5.1 信號流圖及有關術語51
2.5.2 信號流圖的運算51
2.5.3 信號流圖與結構圖的對應關繫52
2.5.4 梅遜公式及其應用53
2.6 輸入-輸出模型與內部狀態模型的關繫55
2.6.1 傳遞函數模型與相變量型狀態流圖模型55
2.6.2 傳遞函數模型與狀態方程模型的相互轉換56
2.7 利用MATLAB的建模和仿真57
2.7.1 輸入傳遞函數和化簡結構圖57
2.7.2 求解繫統的輸出響應59
2.8 小結61
習題262
第3章 控制繫統的穩定性及特性69
3.1 引言69
3.2 反饋控制繫統的結構及其傳遞函數69
3.2.1 開環傳遞函數69
3.2.2 閉環傳遞函數70
3.2.3 偏差傳遞函數70
3.3 閉環繫統的穩定性71
3.3.1 穩定性的概念和定義71
3.3.2 閉環傳遞函數的極點與繫統的穩定性72
3.3.3 勞斯判據及其應用74
3.4 反饋控制繫統的特性80
3.4.1 瞬態響應的改進80
3.4.2 穩態誤差的減小81
3.4.3 對內部模型的靈敏度82
3.4.4 對外部干擾的抑制83
3.5 復雜反饋控制繫統的基本結構及其特性84
3.5.1 內環反饋校正85
3.5.2 串級控制85
3.5.3 前饋-反饋控制88
3.6 利用MATLAB分析繫統的穩定性及特性89
3.6.1 判定繫統的穩定性89
3.6.2 求解靈敏度函數91
3.7 小結91
習題392
第4章 線性控制繫統的時域分析97
4.1 引言97
4.2 測試輸入信號與時域性能指標97
4.2.1 常用測試輸入信號97
4.2.2 時域性能指標98
4.3 一階繫統的時域分析99
4.3.1 一階繫統的一般形式99
4.3.2 一階繫統的單位階躍響應100
4.3.3 一階繫統的單位脈衝響應101
4.4 二階繫統的時域分析102
4.4.1 二階繫統的一般形式102
4.4.2 二階繫統的單位階躍響應102
4.4.3 二階繫統單位階躍響應的性能指標105
4.4.4 二階繫統的單位脈衝響應109
4.4.5 二階繫統的性能改善110
4.4.6 具有零點的二階繫統分析113
4.4.7 擾動作用下的二階繫統分析117
4.5 高階繫統的時域分析119
4.5.1 高階繫統的時域響應119
4.5.2 閉環主導極點120
4.6 穩態誤差分析122
4.6.1 控制繫統的類型123
4.6.2 參考輸入作用下的穩態誤差123
4.6.3 擾動輸入作用下的穩態誤差126
4.6.4 提高穩態精度的方法128
4.7 基本控制規律的時域分析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 比例加積分(PI)控制133
4.7.4 比例加積分加微分(PID)控制134
4.8 利用MATLAB進行控制繫統的時域分析135
4.8.1 參考輸入響應分析135
4.8.2 擾動輸入響應分析136
4.9 小結137
習題4138
第5章 根軌跡分析法143
5.1 引言143
5.2 根軌跡的基本概念143
5.2.1 根軌跡圖143
5.2.2 根軌跡方程145
5.3 繪制根軌跡的一般方法146
5.3.1 繪制根軌跡的基本法則147
5.3.2 參數根軌跡的繪制156
5.4 根軌跡法的擴展應用157
5.4.1 雙回路繫統的根軌跡157
5.4.2 延遲繫統的根軌跡159
5.4.3 0度根軌跡的繪制162
5.5 開環零、極點對繫統根軌跡的影響164
5.5.1 開環零點對根軌跡的影響164
5.5.2 開環極點對根軌跡的影響165
5.5.3 開環偶極子對根軌跡的影響165
5.6 利用MATLAB分析控制繫統的根軌跡166
5.6.1 繪制根軌跡與求取根軌跡增益166
5.6.2 分析控制繫統的穩定性168
5.7 小結169
習題5169
第6章 頻率特性分析法172
6.1 引言172
6.2 頻率特性的基本概念172
6.2.1 頻率響應與頻率特性的定義172
6.2.2 頻率特性的物理意義174
6.2.3 反饋控制繫統的典型頻率特性175
6.3 頻率特性圖示法177
6.3.1 幅相頻率特性曲線177
6.3.2 對數頻率特性曲線178
6.3.3 對數幅相特性曲線179
6.4 繫統的開環頻率特性179
6.4.1 基本因式的頻率特性179
6.4.2 幅相頻率特性曲線的起點、走向和終點184
6.4.3 開環對數頻率特性曲線的漸近線和轉折頻率186
6.4.4 最小相位繫統和非最小相位繫統190
6.5 奈奎斯特穩定判據191
6.5.1 幅角原理192
6.5.2 幅角原理的應用193
6.5.3 奈奎斯特穩定判據的應用194
6.5.4 基於對數頻率特性的奈奎斯特穩定判據199
6.6 穩定裕度200
6.6.1 幅穩定裕度和相穩定裕度201
6.6.2 穩定裕度與時域性能指標的關繫204
6.7 基於開環對數頻率特性的繫統性能分析206
6.7.1 低頻段特性與繫統穩態誤差的關繫206
6.7.2 中頻段特性與繫統瞬態性能的關繫207
6.7.3 高頻段特性與閉環頻率特性的關繫209
6.8 閉環頻率特性與繫統性能指標209
6.8.1 閉環頻率特性的求取210
6.8.2 | T(jω)|的特征量與時域性能指標的關繫215
6.8.3 優選峰值指標與穩定裕度指標的關繫216
6.9 基於靈敏度函數的穩態誤差分析218
6.9.1 參考輸入作用下繫統的穩態誤差218
6.9.2 外部干擾輸入作用下繫統的穩態誤差219
6.10 基於靈敏度函數幅頻特性的繫統性能分析220
6.10.1 靈敏度函數幅頻特性與繫統動態性能要求220
6.10.2 加權靈敏度問題與性能權函數221
6.11 加權靈敏度函數分析的進一步應用224
6.11.1 采用反饋控制的原因224
6.11.2 控制繫統的魯棒性225
6.11.3 魯棒性能與魯棒穩定性227
6.12 利用MATLAB進行控制繫統的頻率特性分析229
6.12.1 繪制奈奎斯特圖和伯德圖229
6.12.2 分析控制繫統的性能231
6.13 小結235
習題6236
第7章 線性控制繫統的校正242
7.1 引言242
7.2 校正的基本概念243
7.2.1 校正的動機和期望性能指標243
7.2.2 校正方式244
7.2.3 校正裝置的設計方法245
7.2.4 常用校正裝置的特性245
7.2.5 校正裝置的實現250
7.3 頻率法設計串聯校正252
7.3.1 超前校正的頻率法設計252
7.3.2 滯後校正的頻率法設計255
7.3.3 滯後-超前校正的頻率法設計257
7.3.4 期望開環對數幅頻特性設計法260
7.4 根軌跡法設計串聯校正261
7.4.1 超前校正的根軌跡法設計261
7.4.2 滯後校正的根軌跡法設計264
7.4.3 滯後-超前校正的根軌跡法設計266
7.5 PID校正266
7.5.1 PID校正的頻率法設計266
7.5.2 PID校正的參數整定法設計267
7.6 局部反饋校正269
7.6.1 局部反饋校正的設計思路269
7.6.2 局部反饋校正的設計方法271
7.7 利用MATLAB輔助控制繫統的校正設計274
7.7.1 滯後-超前校正設計274
7.7.2 PID參數整定法校正設計280
7.8 小結282
習題7283
第8章 線性離散控制繫統287
8.1 概述287
8.1.1 離散控制繫統的基本概念287
8.1.2 離散控制繫統的分析與校正
設計方法289
8.2 信號采樣與保持289
8.2.1 信號采樣289
8.2.2 零階保持器292
8.3 離散繫統的數學模型293
8.3.1 z變換293
8.3.2 z反變換296
8.3.3 差分方程298
8.3.4 脈衝傳遞函數299
8.4 離散控制繫統的穩定性304
8.4.1 離散繫統穩定的充分必要條件304
8.4.2 穩定判據305
8.5 離散控制繫統的動態性能分析310
8.5.1 s平面到z平面的映射310
8.5.2 閉環極點與階躍響應瞬態分量的關繫311
8.6 離散控制繫統的穩態誤差分析314
8.6.1 采樣時刻的穩態誤差314
8.6.2 離散控制繫統的無差度314
8.7 離散控制繫統的最少拍校正316
8.7.1 最少拍繫統的基本概念316
8.7.2 最少拍繫統的設計317
8.8 利用MATLAB輔助離散控制繫統的分析和校正318
8.8.1 性能分析318
8.8.2 校正設計323
8.9 小結330
習題8331
第9章 非線性控制繫統334
9.1 概述334
9.1.1 非線性特性的類型334
9.1.2 非線性控制繫統的穩定性及特性335
9.1.3 非線性控制繫統的分析與綜合336
9.2 相平面法337
9.2.1 相平面法的基本概念337
9.2.2 相平面圖的繪制340
9.2.3 線性繫統的相平面圖分析342
9.2.4 非線性繫統的相平面圖分析343
9.2.5 非線性控制繫統的分區線性化法346
9.2.6 利用非線性特性改進控制繫統的動態性能351
9.3 描述函數法354
9.3.1 描述函數與諧波線性化354
9.3.2 典型非線性特性的描述函數356
9.3.3 非線性環節的串聯與並聯360
9.3.4 非線性控制繫統的描述函數分析方法361
9.3.5 綜合問題舉例363
9.4 利用MATLAB分析非線性控制繫統364
9.4.1 繪制非線性控制繫統的相軌跡和相平面圖364
9.4.2 判定穩定性及自持振蕩369
9.5 小結371
習題9371
附錄A376
習題參考答案379
參考文獻388
本書是廣東省精品資源共享課 "自動控制原理”的主教材，是為"十三五”規劃教學改革需要而修訂的本科生自動化專業核心基礎課教材。本書繫統地闡述了自動控制理論的基本概念、原理，自動控制繫統的分析和校正設計方法，包括20世紀80年代發展起來的加權靈敏度函數分析法。全書分3部分，共計9章：第一部分為反饋控制繫統的建模、穩定性與特性，由第1章緒論、第2章控制繫統的數學模型和第3章控制繫統的穩定性及特性組成；第二部分為線性控制繫統的分析與校正，由第4章線性控制繫統的時域分析、第5章根軌跡分析法、第6章頻率特性分析法（包括現代的加權靈敏度函數頻域分析法）和第7章線性控制繫統的校正組成；第三部分由第8章線性離散控制繫統和第9章非線性控制繫統組成。 本書在內容編排上面向寬口徑的自動化專業，力求與時俱進地進行教材改革實踐與創新：解決教學過程中發現的問題；滿足寬口徑自動化專業的需要；增加面向控制工程的理論與知等
