自动控制原理及应用（曹伟）

1.本书是编者近20年教学经验的总结

2.基本概念、基本原理归纳清晰

3.理论与实践相结合，有丰富的例题和习题

4.附录有习题参考答案

 

 

本书比较全面、系统地介绍了自动控制理论的基本内容和控制系统的分析、校正及综合设计方法。内容主要包括自动控制的基本概念，系统数学模型的建立，用以对控制系统进行分析、校正的时域法、根轨迹法和频域法，线性离散系统的分析与校正方法，分析非线性系统的相平面法和描述函数法，MATLAB在控制系统中的应用等内容，并配有适当的习题和部分习题参考答案。

本书特点是深入浅出，基础理论清晰，注重实际应用，有较丰富的例题和习题。

本书可作为高等学校自动化、电气工程及其自动化、检测技术与自动化装置和过程控制专业的教材，也可作为电子信息工程和机电类各专业的教学用书，还可供自动控制专业领域的工程技术人员参考。

 

第1章自动控制的基本概念001

1.1概述001

1.2自动控制的基本原理002

1.2.1自动控制系统举例002

1.2.2自动控制系统的构成004

1.3控制系统的控制方式005

1.3.1开环控制005

1.3.2闭环控制005

1.3.3复合控制006

1.4控制系统的分类006

1.4.1按输入信号的变化规律分006

1.4.2按系统传输的信号特征分007

1.4.3按系统各环节输入-输出关系的特征分007

1.4.4按系统参数的变化特征分007

1.5对控制系统的性能要求008

1.5.1稳定性能008

1.5.2动态性能008

1.5.3稳态性能008

习题009

第2章控制系统数学模型的建立011

2.1控制系统微分方程的建立011

2.1.1典型控制系统举例012

2.1.2线性系统的重要性质014

2.1.3线性系统微分方程的通用形式015

2.1.4非线性微分方程的线性化015

2.2线性系统的传递函数017

2.2.1传递函数的定义017

2.2.2传递函数的性质018

2.2.3典型环节及其传递函数019

2.3控制系统结构图024

2.3.1结构图的构成要素024

2.3.2控制系统结构图的建立025

2.3.3结构图的等效变换027

2.4控制系统的信号流图030

2.4.1信号流图030

2.4.2梅森增益公式031

2.5闭环控制系统的传递函数032

2.5.1闭环系统的开环传递函数032

2.5.2系统的闭环传递函数032

2.5.3闭环系统的误差传递函数033

2.5.4闭环系统的特征方程034

习题035

第3章时域分析法039

3.1典型输入信号039

3.2瞬态响应分析041

3.2.1一阶系统的瞬态响应041

3.2.2二阶系统的瞬态响应042

3.2.3时域性能指标045

3.2.4二阶系统的动态性能指标046

3.2.5二阶系统性能的改善048

3.2.6高阶系统的近似分析049

3.3稳定性分析050

3.3.1稳定性的基本概念050

3.3.2线性系统稳定的充分必要条件051

3.3.3劳斯判据051

3.4稳态误差分析055

3.4.1稳态误差的概念055

3.4.2稳态误差的计算056

3.4.3减小或消除稳态误差的措施061

习题063

第4章根轨迹分析法065

4.1根轨迹的概念065

4.1.1根轨迹065

4.1.2根轨迹方程066

4.2根轨迹的绘制068

4.2.1绘制根轨迹的基本规则068

4.2.2绘制根轨迹举例075

4.3广义根轨迹的绘制077

4.3.1参变量根轨迹的绘制077

4.3.2正反馈系统轨迹的绘制080

4.4控制系统的根轨迹分析081

4.4.1增加开环极点对控制系统的影响081

4.4.2增加开环零点对控制系统的影响082

4.4.3闭环极点的位置与系统性能的关系083

4.4.4用根轨迹分析系统的动态性能083

习题085

第5章频域分析法087

5.1频率特性087

5.1.1频率特性的基本概念087

5.1.2频率特性的求取088

5.2频率特性的图示方法090

5.2.1极坐标图090

5.2.2对数坐标图095

5.3频域稳定性判据101

5.3.1开环频率特性与闭环特征方程的关系101

5.3.2幅角原理102

5.3.3奈奎斯特判据103

5.3.4对数频率稳定判据106

5.4系统的稳定裕度107

5.4.1相位裕度107

5.4.2幅值裕度108

5.5频域性能指标与瞬态性能指标之间的关系109

5.5.1开环频域性能指标与瞬态性能指标之间的关系109

5.5.2闭环频域性能指标与瞬态性能指标之间的关系111

习题112

第6章线性控制系统的校正115

6.1系统的性能指标与校正方式115

6.1.1系统的性能指标115

6.1.2校正方式115

6.2常用校正装置及其特性116

6.2.1无源校正装置116

6.2.2有源校正装置120

6.3串联校正121

6.3.1校正方法122

6.3.2串联超前校正122

6.3.3串联滞后校正125

6.3.4串联滞后-超前校正126

6.3.5PID校正128

习题130

第7章离散控制系统132

7.1离散控制系统的基本结构132

7.2信号采样过程与采样定理133

7.2.1信号的采样133

7.2.2采样定理134

7.2.3信号的恢复135

7.3Z变换理论137

7.3.1Z变换定义137

7.3.2Z变换的性质137

7.3.3Z变换方法138

7.3.4Z反变换方法141

7.4离散控制系统的数学描述143

7.4.1差分的定义143

7.4.2差分方程144

7.4.3差分方程的解法144

7.4.4脉冲传递函数145

7.5离散控制系统的分析150

7.5.1稳定性分析150

7.5.2稳态误差153

7.5.3瞬态响应156

7.6离散系统的数字控制器设计157

7.6.1数字控制器的脉冲传递函数157

7.6.2最少拍设计158

习题160

第8章非线性控制系统163

8.1概述163

8.2典型非线性特性与特点164

8.2.1典型非线性特性164

8.2.2非线性系统的特点165

8.3相平面分析法166

8.3.1相平面法的概念167

8.3.2相轨迹的绘制方法167

8.3.3相轨迹的特点170

8.3.4由相轨迹求时间响应曲线170

8.3.5奇点和极限环171

8.3.6相平面分析举例174

8.4描述函数分析法179

8.4.1描述函数的基本思想179

8.4.2描述函数法的表示式179

8.4.3典型非线性元件的描述函数180

8.4.4用描述函数法分析非线性系统186

习题191

第9章应用MATLAB的控制系统分析193

9.1应用MATLAB建立控制系统数学模型193

9.1.1控制系统数学模型的建立与转换193

9.1.2各系统模型连接后的等效模型195

9.1.3应用Simulink求控制系统的传递函数195

9.2应用MATLAB进行控制系统时域分析196

9.2.1绘制系统的响应曲线与读取动态性能指标196

9.2.2系统的稳定性分析198

9.2.3系统的稳态误差分析199

9.3应用MATLAB绘制系统的根轨迹200

9.4应用MATLAB进行控制系统频域分析202

9.4.1对数坐标图的绘制202

9.4.2极坐标图的绘制204

9.5应用MATLAB进行线性系统校正204

9.5.1应用MATLAB程序进行系统校正205

9.5.2Simulink环境下的系统设计和校正206

9.6MATLAB在离散控制系统中的应用207

9.6.1连续系统的离散化207

9.6.2离散控制系统的稳定性分析208

9.6.3离散控制系统的最少拍设计211

9.7MATLAB在非线性控制系统中的应用212

9.7.1基于Simulink非线性控制系统的相平面分析212

9.7.2利用MATLAB判断非线性系统的稳定性及自持振荡213

附录部分习题参考答案215

参考文献221

自动控制是指应用自动化仪器仪表或自动控制装置代替人自动地对仪器设备或工程生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能指标。对传统的工业生产过程采用自动控制技术，可以有效提高产品的质量和企业的经济效益。对一些恶劣环境下的操作，自动控制显得尤其重要。

自动控制理论是与人类社会发展密切联系的一门学科，是自动控制科学的核心。在已知控制系统结构和参数的基础上，求取系统的各项性能指标，并找出这些性能指标与系统参数间的关系就是对自动控制系统的分析；而在给定对象特性的基础上，按照控制系统应具备的性能指标要求，寻求能够全面满足这些性能指标要求的控制方案并合理确定控制器的参数，则是对自动控制系统的分析和设计。自动控制理论在发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理，随着科学技术的进步，现已发展成为一门独立的学科。根据自动控制理论发展的不同阶段，自动控制理论一般可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。本书介绍的是“经典控制理论”部分。

自动控制原理是一门工程应用非常广泛的基础课程，所讲述的是控制科学与工程中的基本原理。并且，这门课程的特点是理论性较强，与数学的结合比较紧密。在修读本课程之前应熟练掌握大学高等数学、电路理论、模拟电子技术、电机学等课程相关知识。同时，自动控制原理课程也是控制类的一门基础课程，是运动控制系统、过程控制系统、自适应控制、人工智能等课程最重要的先修课程。

学习自动控制原理的目的是掌握自动控制的基本理论和分析设计控制系统的基本技能，进而能够发现、分析并解决工程中的实际问题，同时也为后续专业课的学习打下基础。

本书比较全面、系统地介绍了自动控制理论的基本内容和控制系统的分析、校正及综合设计方法。内容主要包括自动控制的基本概念，系统数学模型的建立，用以对控制系统进行分析、校正的时域法、根轨迹法和频域法，线性离散系统的分析与校正方法，分析非线性系统的相平面法和描述函数法，MATLAB在控制系统中的应用等，并配有适当的习题和部分习题参考答案。

本书是以编者近20年的教学讲义为基础，集编者多年教学经验而总结出来的。本书具有以下特点：基本概念、基本方法、基本原理归纳清晰；注重前后联系，融会贯通，保持知识的连贯性；注重理论与实践相结合，结合工程实际问题，培养学生实践能力；注重仿真分析，利用MATLAB软件分析控制系统的基本理论。全书共9章和1个附录，其中，第1～3章由齐齐哈尔大学马志晟讲师编写，第4～5章，第7～8章由齐齐哈尔大学曹伟副教授编写，第6章由哈尔滨石油学院张耘讲师编写，第9章和附录由哈尔滨石油学院王妍玮副教授编写。

本书可作为高等学校自动化、电气工程及其自动化、检测技术与自动化装置和过程控制等专业的教材，也可作为电子信息工程和机电类各专业的教学用书，还可供自动控制等专业领域的工程技术人员参考。

由于水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请广大读者批评指正。

编者