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(guī)劃教學(xué)改革需要而修訂的本科生自動化專業(yè)核心基礎(chǔ)課教材。本書系統(tǒng)地闡述了自動控制理論的基本概念、原理，自動控制系統(tǒng)的分析和校正設(shè)計(jì)方法，包括20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的加權(quán)靈敏度函數(shù)分析法。*書分3部分，共計(jì)9章：*一部分為反饋控制系統(tǒng)的建模、穩(wěn)定性與特性，由第1章緒論、第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和第3章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及特性組成；第二部分為線性控制系統(tǒng)的分析與校正，由第4章線性控制系統(tǒng)的時(shí)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(xiàn)代的加權(quán)靈敏度函數(shù)頻域分析法）和第7章線性控制系統(tǒng)的校正組成；第三部分由第8章線性離散控制系統(tǒng)和第9章非線性控制系統(tǒng)組成。 本書在內(nèi)容編排上面向?qū)捒趶降淖詣踊瘜I(yè)，力求與時(shí)俱進(jìn)地進(jìn)行教材改革實(shí)踐與創(chuàng)新：解決教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題；滿足寬口徑自動化專業(yè)的需要；增加面向控制工程的理論與知識；增強(qiáng)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的應(yīng)用；采用經(jīng)典的概念和原理系統(tǒng)地闡述了現(xiàn)代的加權(quán)靈敏度函數(shù)分析法及其應(yīng)用；各章安排了豐富的例題和習(xí)題，為方便讀者自學(xué)，書后還提供了各章習(xí)題參考答案。本書配有電子課件、MATLAB源代碼、習(xí)題參考答案及詳解等教學(xué)資源。
胥布工，廣東省精品資源共享課程《自動控制原理》負(fù)責(zé)人和主講人，享受國務(wù)院政府特殊津貼專家。2008-2012教育部自動化教學(xué)指導(dǎo)分委員會委員；擔(dān)任過中國自動化學(xué)會理事、過程控制專業(yè)委員會委員、《Journal of Control Theory and Applications》英文學(xué)術(shù)期刊副主編�，F(xiàn)任控制理論專業(yè)委員會委員，關(guān)肇直獎評獎委員會委員。
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(fā)展簡史 1
1．1．2 控制工程實(shí)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(huán)控制與閉環(huán)控制 6
1．2．3 反饋控制系統(tǒng)的基本要求 8
1．3 反饋控制系統(tǒng)的組成 9
1．3．1 按構(gòu)成系統(tǒng)的基本元件劃分 9
1．3．2 按系統(tǒng)內(nèi)部基本功能環(huán)節(jié)劃分 10
1．3．3 若干常用術(shù)語 11
1．4 控制系統(tǒng)的分類 12
1．4．1 按參考輸入信號特征分類 12
1．4．2 按系統(tǒng)環(huán)節(jié)間信號傳遞形式分類 12
1．4．3 按描述系統(tǒng)的動態(tài)方程分類 13
1．5 控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則 14
1．6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 16
1．7 本書內(nèi)容安排 18
1．7．1 組織結(jié)構(gòu) 18
1．7．2 學(xué)習(xí)安排 19
1．8 小結(jié) 20
習(xí)題1 20
第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 23
2．1 引言 23
2．2 系統(tǒng)的微分方程 23
2．2．1 列寫物理系統(tǒng)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 控制系統(tǒng)的微分方程 30
2．3 傳遞函數(shù) 32
2．3．1 線性系統(tǒng)傳遞函數(shù)的概念和定義 33
2．3．2 傳遞函數(shù)的常用表現(xiàn)形式 34
2．3．3 典型輸入信號及其拉普拉斯變換 35
2．3．4 單位脈沖響應(yīng)函數(shù) 37
2．3．5 求解系統(tǒng)輸出響應(yīng)的方法 38
2．3．6 典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù) 41
2．4 結(jié)構(gòu)圖 47
2．4．1 結(jié)構(gòu)圖的組成和基本連接方式 47
2．4．2 結(jié)構(gòu)圖的等效變換 49
2．5 信號流圖 51
2．5．1 信號流圖及有關(guān)術(shù)語 51
2．5．2 信號流圖的運(yùn)算 51
2．5．3 信號流圖與結(jié)構(gòu)圖的對應(yīng)關(guān)系 52
2．5．4 梅遜公式及其應(yīng)用 53
2．6 輸入-輸出模型與內(nèi)部狀態(tài)模型的關(guān)系 55
2．6．1 傳遞函數(shù)模型與相變量型狀態(tài)流圖模型 55
2．6．2 傳遞函數(shù)模型與狀態(tài)方程模型的相互轉(zhuǎn)換 56
2．7 利用MATLAB的建模和仿真 57
2．7．1 輸入傳遞函數(shù)和化簡結(jié)構(gòu)圖 57
2．7．2 求解系統(tǒng)的輸出響應(yīng) 59
2．8 小結(jié) 61
習(xí)題2 62
第3章 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及特性 69
3．1 引言 69
3．2 反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其傳遞函數(shù) 69
3．2．1 開環(huán)傳遞函數(shù) 69
3．2．2 閉環(huán)傳遞函數(shù) 70
3．2．3 偏差傳遞函數(shù) 70
3．3 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 71
3．3．1 穩(wěn)定性的概念和定義 71
3．3．2 閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)與系統(tǒng)的穩(wěn)定性 72
3．3．3 勞斯判據(jù)及其應(yīng)用 74
3．4 反饋控制系統(tǒng)的特性 80
3．4．1 瞬態(tài)響應(yīng)的改進(jìn) 80
3．4．2 穩(wěn)態(tài)誤差的減小 81
3．4．3 對內(nèi)部模型的靈敏度 82
3．4．4 對外部干擾的抑制 83
3．5 復(fù)雜反饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其特性 84
3．5．1 內(nèi)環(huán)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分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性及特性 89
3．6．1 判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性 89
3．6．2 求解靈敏度函數(shù) 91
3．7 小結(jié) 91
習(xí)題3 92
第4章 線性控制系統(tǒng)的時(shí)域分析 97
4．1 引言 97
4．2 測試輸入信號與時(shí)域性能指標(biāo) 97
4．2．1 常用測試輸入信號 97
4．2．2 時(shí)域性能指標(biāo) 98
4．3 一階系統(tǒng)的時(shí)域分析 99
4．3．1 一階系統(tǒng)的一般形式 99
4．3．2 一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 100
4．3．3 一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng) 101
4．4 二階系統(tǒng)的時(shí)域分析 102
4．4．1 二階系統(tǒng)的一般形式 102
4．4．2 二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 102
4．4．3 二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的性能指標(biāo) 105
4．4．4 二階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng) 109
4．4．5 二階系統(tǒng)的性能改善 110
4．4．6 具有零點(diǎn)的二階系統(tǒng)分析 113
4．4．7 擾動作用下的二階系統(tǒng)分析 117
4．5 高階系統(tǒng)的時(shí)域分析 119
4．5．1 高階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng) 119
4．5．2 閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn) 120
4．6 穩(wěn)態(tài)誤差分析 122
4．6．1 控制系統(tǒng)的類型 123
4．6．2 參考輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 123
4．6．3 擾動輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 126
4．6．4 提高穩(wěn)態(tài)精度的方法 128
4．7 基本控制規(guī)律的時(shí)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(jìn)行控制系統(tǒng)的時(shí)域分析 135
4．8．1 參考輸入響應(yīng)分析 135
4．8．2 擾動輸入響應(yīng)分析 136
4．9 小結(jié) 137
習(xí)題4 138
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(shù)根軌跡的繪制 156
5．4 根軌跡法的擴(kuò)展應(yīng)用 157
5．4．1 雙回路系統(tǒng)的根軌跡 157
5．4．2 延遲系統(tǒng)的根軌跡 159
5．4．3 0度根軌跡的繪制 162
5．5 開環(huán)零、極點(diǎn)對系統(tǒng)根軌跡的影響 164
5．5．1 開環(huán)零點(diǎn)對根軌跡的影響 164
5．5．2 開環(huán)極點(diǎn)對根軌跡的影響 165
5．5．3 開環(huán)偶極子對根軌跡的影響 165
5．6 利用MATLAB分析控制系統(tǒng)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 分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 168
5．7 小結(jié) 169
習(xí)題5 169
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(yīng)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 反饋控制系統(tǒng)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(shù)頻率特性曲線 178
6．3．3 對數(shù)幅相特性曲線 179
6．4 系統(tǒng)的開環(huán)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(diǎn)、走向和終點(diǎn) 184
6．4．3 開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線的漸近線和轉(zhuǎn)折頻率 186
6．4．4 最小相位系統(tǒng)和非最小相位系統(tǒng) 190
6．5 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù) 191
6．5．1 幅角原理 192
6．5．2 幅角原理的應(yīng)用 193
6．5．3 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的應(yīng)用 194
6．5．4 基于對數(shù)頻率特性的奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù) 199
6．6 穩(wěn)定裕度 200
6．6．1 幅穩(wěn)定裕度和相穩(wěn)定裕度 201
6．6．2 穩(wěn)定裕度與時(shí)域性能指標(biāo)的關(guān)系 204
6．7 基于開環(huán)對數(shù)頻率特性的系統(tǒng)性能分析 206
6．7．1 低頻段特性與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)系 206
6．7．2 中頻段特性與系統(tǒng)瞬態(tài)性能的關(guān)系 207
6．7．3 高頻段特性與閉環(huán)頻率特性的關(guān)系 209
6．8 閉環(huán)頻率特性與系統(tǒng)性能指標(biāo) 209
6．8．1 閉環(huán)頻率特性的求取 210
6．8．2 | T(jω)|的特征量與時(shí)域性能指標(biāo)的關(guān)系 215
6．8．3 最大峰值指標(biāo)與穩(wěn)定裕度指標(biāo)的關(guān)系 216
6．9 基于靈敏度函數(shù)的穩(wěn)態(tài)誤差分析 218
6．9．1 參考輸入作用下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 218
6．9．2 外部干擾輸入作用下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 219
6．10 基于靈敏度函數(shù)幅頻特性的系統(tǒng)性能分析 220
6．10．1 靈敏度函數(shù)幅頻特性與系統(tǒng)動態(tài)性能要求 220
6．10．2 加權(quán)靈敏度問題與性能權(quán)函數(shù) 221
6．11 加權(quán)靈敏度函數(shù)分析的進(jìn)一步應(yīng)用 224
6．11．1 采用反饋控制的原因 224
6．11．2 控制系統(tǒng)的魯棒性 225
6．11．3 魯棒性能與魯棒穩(wěn)定性 227
6．12 利用MATLAB進(jìn)行控制系統(tǒng)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 分析控制系統(tǒng)的性能 231
6．13 小結(jié) 235
習(xí)題6 236
第7章 線性控制系統(tǒng)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(jī)和期望性能指標(biāo) 243
7．2．2 校正方式 244
7．2．3 校正裝置的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn) 250
7．3 頻率法設(shè)計(jì)串聯(lián)校正 252
7．3．1 超前校正的頻率法設(shè)計(jì) 252
7．3．2 滯后校正的頻率法設(shè)計(jì) 255
7．3．3 滯后-超前校正的頻率法設(shè)計(jì) 257
7．3．4 期望開環(huán)對數(shù)幅頻特性設(shè)計(jì)法 260
7．4 根軌跡法設(shè)計(jì)串聯(lián)校正 261
7．4．1 超前校正的根軌跡法設(shè)計(jì) 261
7．4．2 滯后校正的根軌跡法設(shè)計(jì) 264
7．4．3 滯后-超前校正的根軌跡法設(shè)計(jì) 266
7．5 PID校正 266
7．5．1 PID校正的頻率法設(shè)計(jì) 266
7．5．2 PID校正的參數(shù)整定法設(shè)計(jì) 267
7．6 局部反饋校正 269
7．6．1 局部反饋校正的設(shè)計(jì)思路 269
7．6．2 局部反饋校正的設(shè)計(jì)方法 271
7．7 利用MATLAB輔助控制系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì) 274
7．7．1 滯后-超前校正設(shè)計(jì) 274
7．7．2 PID參數(shù)整定法校正設(shè)計(jì) 280
7．8 小結(jié) 282
習(xí)題7 283
第8章 線性離散控制系統(tǒng) 287
8．1 概述 287
8．1．1 離散控制系統(tǒng)的基本概念 287
8．1．2 離散控制系統(tǒng)的分析與校正
設(shè)計(jì)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 離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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 脈沖傳遞函數(shù) 299
8．4 離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 304
8．4．1 離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件 304
8．4．2 穩(wěn)定判據(jù) 305
8．5 離散控制系統(tǒng)的動態(tài)性能分析 310
8．5．1 s平面到z平面的映射 310
8．5．2 閉環(huán)極點(diǎn)與階躍響應(yīng)瞬態(tài)分量的關(guān)系 311
8．6 離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析 314
8．6．1 采樣時(shí)刻的穩(wěn)態(tài)誤差 314
8．6．2 離散控制系統(tǒng)的無差度 314
8．7 離散控制系統(tǒng)的最少拍校正 316
8．7．1 最少拍系統(tǒng)的基本概念 316
8．7．2 最少拍系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 317
8．8 利用MATLAB輔助離散控制系統(tǒng)的分析和校正 318
8．8．1 性能分析 318
8．8．2 校正設(shè)計(jì) 323
8．9 小結(jié) 330
習(xí)題8 331
第9章 非線性控制系統(tǒng) 334
9．1 概述 334
9．1．1 非線性特性的類型 334
9．1．2 非線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及特性 335
9．1．3 非線性控制系統(tǒng)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 線性系統(tǒng)的相平面圖分析 342
9．2．4 非線性系統(tǒng)的相平面圖分析 343
9．2．5 非線性控制系統(tǒng)的分區(qū)線性化法 346
9．2．6 利用非線性特性改進(jìn)控制系統(tǒng)的動態(tài)性能 351
9．3 描述函數(shù)法 354
9．3．1 描述函數(shù)與諧波線性化 354
9．3．2 典型非線性特性的描述函數(shù) 356
9．3．3 非線性環(huán)節(jié)的串聯(lián)與并聯(lián) 360
9．3．4 非線性控制系統(tǒng)的描述函數(shù)分析方法 361
9．3．5 綜合問題舉例 363
9．4 利用MATLAB分析非線性控制系統(tǒng) 364
9．4．1 繪制非線性控制系統(tǒng)的相軌跡和相平面圖 364
9．4．2 判定穩(wěn)定性及自持振蕩 369
9．5 小結(jié) 371
習(xí)題9 371
附錄A 376
習(xí)題參考答案 379
參考文獻(xiàn) 388
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