自动控制原理

第1章 控制系统的基本概念 1

1.1 控制系统的发展历史 1

1.2 控制系统的基本类型 2

1.2.1 恒值控制系统和随动控制系统 2

1.2.2 线性控制系统和非线性控制系统 3

1.2.3 连续控制系统和采样控制系统 3

1.2.4 开环控制系统和闭环控制系统 3

1.3 控制系统的基本要求 5

小结 5

习题 6

第2章 控制系统的数学模型 7

2.1 建立动态微分方程的一般方法 7

2.2 传递函数 9

2.2.1 传递函数的基本概念 9

2.2.2 典型环节及其传递函数 11

2.3 系统的动态结构图 13

2.3.1 结构图的构成 13

2.3.2 控制系统的传递函数 14

2.4 结构图的等效变换 17

2.4.1 串联环节的等效变换 17

2.4.2 并联环节的等效变换 18

2.4.3 反馈环节的等效变换 18

2.4.4 结构图的等效变换法则 19

2.4.5 系统结构图等效变换举例 20

小结 22

习题 22

第3章 时域分析法 25

3.1 典型输入信号及时域性能指标 25

3.1.1 典型输入信号 25

3.1.2 输入量为单位阶跃函数的系统暂态性能指标 26

3.2 控制系统的稳定性 27

3.2.1 线性系统稳定性的概念 27

3.2.2 劳斯（Routh）判据 27

3.3 一阶系统的阶跃响应 30

3.3.1 一阶系统的数学模型 30

3.3.2 一阶系统的暂态响应 31

3.3.3 一阶系统的暂态性能指标 31

3.3.4 三种典型输入信号响应之间的关系 32

3.4 二阶系统的阶跃响应 33

3.4.1 二阶系统的数学模型 33

3.4.2 二阶系统的暂态响应 33

3.4.3 二阶系统的暂态性能指标 35

3.4.4 高阶系统与闭环主导极点 38

3.5 系统的稳态误差分析 39

3.5.1 误差与稳态误差 39

3.5.2 在典型输入信号作用下的稳态误差 39

3.5.3 扰动信号作用下的稳态误差 43

3.5.4 减少稳态误差的措施 44

小结 44

习题 44

第4章 频率特性法 47

4.1 频率特性的基本概念 47

4.1.1 频率特性的定义 47

4.1.2 频率特性的描述方式 47

4.2 典型环节的频率特性 48

4.2.1 放大（比例）环节 48

4.2.2 积分环节 49

4.2.3 微分环节 50

4.2.4 惯性环节（一阶系统） 51

4.2.5 二阶振荡环节（二阶系统） 52

4.2.6 延迟环节 54

4.3 开环频率特性的绘制 54

4.3.1 幅相频率特性曲线的绘制 54

4.3.2 对数频率特性曲线的绘制 56

4.4 稳定性判据 59

4.4.1 奈奎斯特稳定判据 59

4.4.2 控制系统的相对稳定性 61

4.5 开环频率特性与性能指标 63

4.5.1 开环频率特性与系统性能 63

4.5.2 开环频率特性与系统暂态性能指标 64

小结 66

习题 66

第5章 系统的校正与设计 69

5.1 系统校正的概念 69

5.2 常用控制规律 70

5.2.1 比例P控制 70

5.2.2 比例微分PD控制 70

5.2.3 比例积分PI控制 70

5.2.4 比例积分微分PID控制 70

5.3 校正装置与特性 71

5.3.1 超前校正装置 71

5.3.2 滞后校正装置 72

5.3.3 滞后-超前校正装置 72

5.4 校正方法及校正装置的设计 73

5.4.1 串联校正 73

5.4.2 反馈校正 78

5.4.3 复合校正 79

5.5 SISOTOOL工具箱在控制系统补偿器中的应用 81

小结 84

习题 84

第6章 采样控制系统 85

6.1 采样控制系统的基本概念 85

6.1.1 采样脉冲控制系统 85

6.1.2 数字控制系统 86

6.2 信号的采样和保持 86

6.2.1 信号的采样 86

6.2.2 信号的保持 87

6.3 z变换 89

6.3.1 z变换的定义 89

6.3.2 z变换的求取 89

6.3.3 z变换的基本定理 91

6.3.4 z反变换 92

6.4 采样系统的传递函数 93

6.4.1 脉冲传递函数的基本概念 93

6.4.2 开环系统（或环节）的脉冲传递函数 93

6.4.3 闭环采样系统的脉冲传递函数 95

6.5 采样系统的稳定性与稳态误差 97

6.5.1 采样系统的稳定性 97

6.5.2 采样系统的稳态误差 99

小结 100

习题 100

第7章 控制系统的状态空间法 102

7.1 现代控制理论与经典控制理论比较 102

7.2 状态空间法的基本概念 102

7.2.1 基本术语 102

7.2.2 系统状态空间描述的特点 104

7.3 状态空间法的建立 104

7.3.1 将高阶微分方程化为状态空间表达式 104

7.3.2 将传递函数化为状态空间表达式 106

7.3.3 将结构图化为状态空间表达式 108

7.3.4 由状态空间表达式确定系统传递函数 109

7.4 系统的运动 110

7.4.1 矩阵指数的定义 110

7.4.2 矩阵指数的性质 110

7.4.3 矩阵指数的计算 110

7.4.4 线性定常系统的受控运动 111

7.5 系统的能控性和可观测性 112

7.5.1 能控性和可观测性的概念 112

7.5.2 线性定常系统的能控性判据 113

7.5.3 线性定常系统的可观测性判据 115

7.6 状态反馈与极点配置 118

7.6.1 单输入／单输出系统的状态反馈和输出反馈 118

7.6.2 两种反馈形式的特点 119

7.6.3 极点配置法 120

小结 122

习题 122

附录A 拉普拉斯变换 124

附录B MATLAB基础知识 125

B.1 MATLAB的开发环境 125

B.2 MATLAB的基础知识 126

B.3 部分MATLAB函数说明 127

附录C 常用中英文对照表 131

参考文献 134