自动控制原理 第3版

1 绪论 1

1.1 控制理论的形成与发展 1

1.1.1 自动控制理论阶段 2

1.1.2 现代控制理论阶段 6

1.1.3 智能控制理论阶段 6

1.2 自动控制系统的基本概念 9

1.2.1 手动控制与自动控制系统 9

1.2.2 自动控制系统的基本环节 12

1.2.3 自动控制系统的基本变量 13

1.2.4 开环控制系统 13

1.2.5 闭环控制系统 14

1.2.6 复合控制系统 15

1.3 自动控制系统性能的基本要求 16

1.3.1 稳定性 16

1.3.2 动态特性 18

1.3.3 静态特性 20

1.4 自动控制系统的分类 21

1.4.1 线性系统与非线性系统 21

1.4.2 连续系统与离散系统 22

1.4.3 恒值系统与随动系统 23

1.4.4 单变量系统与多变量系统 23

1.4.5 确定性系统与不确定性系统 23

1.4.6 集中参数系统与分布参数系统 23

1.5 教学内容与要求 23

1.5.1 教学内容 23

1.5.2 教学要求 24

本章小结 25

本章习题 25

2 线性控制系统的数学模型 26

2.1 微分方程描述法 26

2.2 传递函数描述法 31

2.2.1 传递函数的定义 31

2.2.2 传递函数的基本性质 31

2.2.3 典型环节的传递函数 32

2.3 方框图描述法 35

2.3.1 方框图的定义 35

2.3.2 方框图的等效变换 37

2.4 信号流图描述法 41

2.4.1 信号流图的定义与基本术语 42

2.4.2 信号流图的基本性质 42

2.4.3 信号流图的绘制 43

2.4.4 信号流图的梅森公式 44

2.5 控制系统的典型传递函数 45

2.5.1 系统的开环传递函数 45

2.5.2 系统的闭环传递函数 46

2.5.3 系统的误差传递函数 46

本章小结 47

本章习题 48

3 控制系统的时域分析 52

3.1 典型输入信号 52

3.2 线性定常系统的时域响应与性能指标 53

3.2.1 线性定常系统的时域响应 53

3.2.2 控制系统时域响应的性能指标 54

3.3 一阶系统的时域响应 55

3.3.1 一阶系统的单位阶跃响应 55

3.3.2 一阶系统的单位脉冲响应 56

3.3.3 线性定常系统的重要特性 56

3.4 二阶系统的时域响应 57

3.4.1 二阶系统的数学模型 57

3.4.2 二阶系统的单位阶跃响应 58

3.4.3 二阶系统的时域响应的性能指标 60

3.4.4 二阶系统的单位脉冲响应 66

3.5 高阶系统的时域响应 66

3.5.1 高阶系统单位阶跃响应 66

3.5.2 闭环主导极点 68

3.6 线性定常系统的稳定性 69

3.6.1 控制系统稳定性的概念与条件 69

3.6.2 线性定常系统稳定的充分必要条件 69

3.6.3 劳斯稳定判据 70

3.6.4 劳斯判据的特殊情况 71

3.6.5 赫尔维茨稳定判据 73

3.6.6 稳定判据的应用 74

3.6.7 相对稳定性和稳定裕度 75

3.7 系统的稳态误差 76

3.7.1 误差及稳态误差的基本概念 76

3.7.2 系统稳态误差的计算 78

3.7.3 动态误差系数 82

3.7.4 改善系统稳态精度的途径 83

本章小结 86

本章习题 87

4 根轨迹法 90

4.1 根轨迹的基本概念 90

4.2 根轨迹方程 91

4.3 常规根轨迹绘制规则 93

4.4 广义根轨迹及其绘制 101

4.4.1 参数根轨迹 101

4.4.2 零度根轨迹 103

4.5 控制系统的根轨迹分析 106

4.5.1 基于根轨迹的系统稳定性分析 106

4.5.2 基于根轨迹的系统稳态性能分析 106

4.5.3 基于根轨迹的系统动态性能分析 107

4.5.4 增加开环零、极点对根轨迹的影响 108

本章小结 109

本章习题 109

5 控制系统的频域分析 111

5.1 频率特性的基本概念 111

5.1.1 线性系统的频率响应和频率特性 111

5.1.2 用图形表示频率特性 113

5.2 典型环节的频率特性 115

5.2.1 比例环节的频率特性 116

5.2.2 积分环节的频率特性 116

5.2.3 微分环节的频率特性 118

5.2.4 惯性环节和一阶微分环节的频率特性 119

5.2.5 振荡环节和二阶微分环节的频率特性 122

5.2.6 时滞环节的频率特性 126

5.3 系统开环频率特性 127

5.3.1 开环幅相频率特性曲线 127

5.3.2 开环对数频率特性曲线 133

5.3.3 最小相位系统和非最小相位系统 137

5.4 控制系统的频域稳定性判据 139

5.4.1 幅角原理 139

5.4.2 奈氏判据 140

5.4.3 奈氏判据在伯德图中的应用 146

5.5 控制系统的相对稳定性 147

5.5.1 相位裕量 148

5.5.2 增益裕量 148

5.5.3 开环对数频率特性与相对稳定性的关系 150

5.6 控制系统的闭环频率特性 155

5.6.1 开环频率特性与闭环频率特性的关系 156

5.6.2 等M圆图和等N圆图 156

5.6.3 尼柯尔斯图线 159

5.6.4 非单位反馈系统的闭环频率特性 162

5.7 频域性能指标与时域性能指标的关系 162

5.7.1 开环频域指标和时域性能指标的关系 162

5.7.2 闭环频域指标与时域性能指标的关系 164

本章小结 166

本章习题 167

6 控制系统的校正与设计 169

6.1 控制系统校正的概念 169

6.2 常用校正装置及其特性 172

6.2.1 超前校正装置 172

6.2.2 滞后校正装置 173

6.2.3 滞后-超前校正装置 174

6.2.4 PID校正装置 175

6.3 采用频率法进行串联校正 178

6.3.1 超前校正设计 179

6.3.2 滞后校正设计 180

6.3.3 滞后-超前校正设计 182

6.3.4 按系统期望频率特性进行校正 184

6.3.5 PID校正 187

6.4 反馈校正及其参数确定 189

本章小结 193

本章习题 193

7 非线性控制系统 197

7.1 非线性系统概述 197

7.1.1 典型非线性特性 197

7.1.2 非线性系统的基本特征 199

7.1.3 非线性系统的分析方法及应用 201

7.2 描述函数法 202

7.2.1 描述函数法的基本概念 202

7.2.2 典型非线性特性的描述函数 203

7.2.3 用描述函数法分析非线性系统的稳定性 208

7.3 相平面法 211

7.3.1 相平面的基本概念 211

7.3.2 相轨迹的绘制 212

7.3.3 相平面分析 214

本章小结 223

本章习题 223

8 离散控制系统 226

8.1 离散系统的基本概念 226

8.1.1 离散控制系统 226

8.1.2 离散控制系统的特点 229

8.1.3 离散控制系统的研究方法 229

8.2 信号的采样与保持 229

8.2.1 采样过程及其数学描述 229

8.2.2 采样定理 231

8.2.3 信号的复现与零阶保持器 232

8.2.4 采样周期的选择 234

8.3 z变换理论 235

8.3.1 z变换的定义 235

8.3.2 z变换方法 236

8.3.3 z变换基本定理 240

8.3.4 z反变换 243

8.4 离散控制系统的数学模型 245

8.4.1 差分方程 246

8.4.2 脉冲传递函数 247

8.4.3 差分方程和脉冲传递函数的关系 256

8.5 离散控制系统的分析 257

8.5.1 离散控制系统的稳定性 257

8.5.2 离散控制系统的稳态误差 261

8.5.3 离散控制系统的动态性能分析 263

本章小结 267

本章习题 267

9 直流电动机控制系统分析与综合 270

9.1 直流电机简介 270

9.2 直流电动机模型及特性分析 271

9.2.1 直流电动机模型 271

9.2.2 直流电动机模型特性分析 272

9.3 直流电动机闭环控制系统的时域分析 274

9.3.1 基于调速模型讨论闭环控制与开环控制的优劣 274

9.3.2 基于位置模型讨论PID闭环控制 277

9.4 直流电动机闭环控制系统的频域分析 291

9.5 直流电动机位置与速度控制系统综合 293

9.5.1 直流电动机位置控制系统的根轨迹综合 293

9.5.2 直流电动机位置控制系统的频域综合 302

9.6 直流电动机离散控制系统分析 312

9.7 直流电动机离散控制系统综合 315

9.7.1 利用连续域离散化方法综合控制系统 315

9.7.2 利用最小拍设计方法综合控制系统 318

9.8 直流电动机非线性反馈控制系统综合 324

9.8.1 非线性速度反馈校正改善动态品质 324

9.8.2 前向通道加入非线性环节改善动态品质 326

9.8.3 用非线性切换方式改善滞后（PI）校正 328

本章小结 329

附录1 Matlab/Simulink在控制系统分析与综合中的应用实例 330

附录2 自动化领域重要学术期刊、会议及文献检索工具 358

参考文献 360