自動控制原理（第3版）

第1章 緒論 1
1.1 自動控制系統(tǒng)的一般概念 1
1.2 自動控制系統(tǒng)的分類 4
1.2.1 運動與過程控制系統(tǒng) 4
1.2.2 定值、隨動與程序控制系統(tǒng) 5
1.2.3 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng) 5
1.2.4 連續(xù)與離散控制系統(tǒng) 7
1.2.5 線性與非線性控制系統(tǒng) 8
1.3 自動控制理論的發(fā)展概況 9
1.4 自動控制系統(tǒng)的性能要求 12
本章小結 14
習題 14
第2章 控制系統(tǒng)的數學模型 16
2.1 列寫系統(tǒng)微分方程的一般方法 17
2.1.1 簡單系統(tǒng)微分方程的建立 17
2.1.2 復雜系統(tǒng)微分方程的建立 21
2.2 非線性數學模型的線性化 24
2.3 傳遞函數 28
2.3.1 傳遞函數的定義 28
2.3.2 傳遞函數的基本性質 30
2.3.3 控制系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數 32
2.4 框圖和系統(tǒng)的傳遞函數 36
2.4.1 框圖的組成 37
2.4.2 系統(tǒng)框圖的建立 37
2.4.3 框圖的等效變換 39
2.4.4 利用框圖求取系統(tǒng)的
傳遞函數 43

2.5 信號流圖和梅遜公式的應用 47
2.5.1 信號流圖的概念 47
2.5.2 信號流圖的術語和性質 48
2.5.3 信號流圖的簡化法則 49
2.5.4 梅遜增益公式及其應用 50
2.6 MATLAB在本章中的應用 54
本章小結 56
習題 57
第3章 控制系統(tǒng)的時域分析法 60
3.1 控制系統(tǒng)的時域性能指標 60
3.1.1 典型輸入信號 60
3.1.2 控制系統(tǒng)的時域性能指標 64
3.2 一階系統(tǒng)的時域分析 66
3.2.1 一階系統(tǒng)的數學模型 66
3.2.2 一階系統(tǒng)的單位階躍響應 67
3.2.3 一階系統(tǒng)的單位斜坡響應 68
3.2.4 一階系統(tǒng)的單位拋物線響應 69
3.2.5 一階系統(tǒng)的單位脈沖響應 69
3.3 二階系統(tǒng)的時域分析 70
3.3.1 二階系統(tǒng)的數學模型 70
3.3.2 二階系統(tǒng)的單位階躍響應 72
3.3.3 欠阻尼二階系統(tǒng)的性能分析 76
3.3.4 二階系統(tǒng)的單位脈沖響應 81
3.3.5 二階工程最佳參數 82
3.4 高階系統(tǒng)的時域分析 83
3.4.1 高階系統(tǒng)的單位階躍響應 84
3.4.2 閉環(huán)主導極點 85
3.5 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 86

3.5.1 穩(wěn)定性的基本概念 86
3.5.2 線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分
必要條件 87
3.5.3 線性系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件 89
3.5.4 勞斯穩(wěn)定判據 89
3.5.5 赫爾維茲穩(wěn)定判據 92
3.5.6 勞斯判據的應用 94
3.6 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計算 95
3.6.1 穩(wěn)態(tài)誤差的定義 96
3.6.2 系統(tǒng)類型數 97
3.6.3 參考輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 97
3.6.4 擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 101
3.6.5 提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的方法 102
3.7 MATLAB在本章中的應用 103
3.7.1 單位脈沖響應和單位
階躍響應 103
3.7.2 單位斜坡響應 104
3.7.3 任意函數作用下系統(tǒng)的響應 106
3.7.4 Simulink中時域分析舉例 107
本章小結 108
習題 108
第4章 控制系統(tǒng)的根軌跡法 111
4.1 根軌跡的基本概念 111
4.1.1 根軌跡的概念 111
4.1.2 根軌跡與系統(tǒng)性能 112
4.1.3 根軌跡的幅值條件和
相角條件 113
4.1.4 系統(tǒng)根軌跡增益與開環(huán)增益的關系 115
4.2 繪制根軌跡的基本規(guī)則 116
4.3 廣義根軌跡的繪制 131
4.3.1 參量根軌跡 131
4.3.2 零度根軌跡 134
4.4 用根軌跡法分析閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能 138

4.4.1 用根軌跡分析系統(tǒng)的
穩(wěn)定性 138
4.4.2 用根軌跡分析系統(tǒng)的
動態(tài)性能 139
4.4.3 用根軌跡分析系統(tǒng)的
穩(wěn)態(tài)性能 141
4.4.4 附加開環(huán)零、極點的作用 144
4.5 MATLAB在本章中的應用 146
本章小結 150
習題 150
第5章 控制系統(tǒng)的頻域分析法 155
5.1 頻率特性 155
5.1.1 頻率特性的基本概念 155
5.1.2 由傳遞函數確定系統(tǒng)的
頻域響應 158
5.2 對數坐標圖 160
5.2.1 典型因子的伯德圖 161
5.2.2 繪制開環(huán)系統(tǒng)伯德圖的
一般步驟 170
5.2.3 最小相位系統(tǒng)與非最小
相位系統(tǒng) 172
5.2.4 系統(tǒng)的類型與對數幅頻特性
曲線低頻漸近線的對應關系 174
5.3 極坐標圖 176
5.3.1 典型因子的乃奎斯特圖 177
5.3.2 極坐標圖的一般形狀 182
5.4 頻域穩(wěn)定判據 186
5.4.1 幅角原理 186
5.4.2 乃奎斯特穩(wěn)定判據 187
5.4.3 乃氏判據應用于滯后系統(tǒng) 197
5.5 相對穩(wěn)定性分析 199
5.5.1 增益裕量 200
5.5.2 相位裕量 200
5.5.3 相對穩(wěn)定性與對數幅頻特性中頻段斜率的關系 203

5.6 頻域性能指標與時域性能
指標間的關系 205
5.6.1 閉環(huán)頻率特性及其特征量 205
5.6.2 二階系統(tǒng)時域響應與
頻域響應的關系 208
5.7 傳遞函數的實驗確定 211
5.8 MATLAB在本章中的應用 213
5.8.1 利用MATLAB繪制伯德圖 213
5.8.2 利用MATLAB繪制
乃奎斯特圖 218
本章小結 220
習題 221
第6章 控制系統(tǒng)的校正 225
6.1 控制系統(tǒng)的校正問題 225
6.1.1 被控對象 226
6.1.2 性能指標 226
6.1.3 系統(tǒng)帶寬的確定 228
6.1.4 系統(tǒng)校正方式 229
6.2 線性系統(tǒng)的基本控制規(guī)律 230
6.2.1 比例控制規(guī)律 230
6.2.2 比例-微分控制規(guī)律 231
6.2.3 積分控制規(guī)律 231
6.2.4 比例-積分控制規(guī)律 232
6.2.5 比例-積分-微分控制規(guī)律 232
6.3 串聯(lián)校正 234
6.3.1 超前校正 234
6.3.2 滯后校正 240
6.3.3 滯后-超前校正 247
6.4 反饋校正 254
6.4.1 利用反饋校正改變
局部結構和參數 255
6.4.2 利用反饋校正取代
局部結構 257
6.5 復合校正 258
6.5.1 前饋校正與反饋控制
組成的復合控制 258
6.5.2 擾動補償校正與反饋
控制組成的復合控制 260
6.6 MATLAB在本章中的應用 261
本章小結 269
習題 270
第7章 非線性控制系統(tǒng)分析 272
7.1 非線性控制系統(tǒng)概述 272
7.1.1 研究非線性控制理論
的意義 272
7.1.2 非線性系統(tǒng)的特征 274
7.1.3 非線性系統(tǒng)的分析與
設計方法 277
7.2 常見非線性及其對系統(tǒng)
運動的影響 278
7.2.1 非線性特性的等效增益 279
7.2.2 常見非線性因素對系統(tǒng)
運動的影響 280
7.3 非線性系統(tǒng)的描述函數分析 283
7.3.1 描述函數的基本概念 284
7.3.2 非線性元件描述函數的舉例 285
7.3.3 用描述函數法分析非線性
控制系統(tǒng) 290
7.4 相平面法 294
7.4.1 相平面的基本概念 295
7.4.2 線性二階系統(tǒng)的相軌跡 296
7.4.3 繪制相平面圖的
等傾斜線法 298
7.4.4 非線性系統(tǒng)的相平面分析 301
7.5 MATLAB在本章中的應用 306
本章小結 309
習題 309
第8章 計算機控制系統(tǒng)的
分析與設計 312
8.1 離散控制系統(tǒng)的概念 312
8.2 信號的采樣與復現 315
8.2.1 采樣過程 315
8.2.2 采樣定理 317
8.2.3 零階保持器 319
8.3 z變換與z反變換 321
8.3.1 z變換 321
8.3.2 z變換的基本性質 325
8.3.3 z反變換 328
8.4 脈沖傳遞函數 330
8.4.1 串聯(lián)環(huán)節(jié)的脈沖傳遞函數 332
8.4.2 閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數 334
8.5 差分方程 338
8.5.1 差分的定義 338
8.5.2 差分方程概述 338
8.5.3 用z變換法求解差分方程 339
8.5.4 用迭代法求解差分方程 341
8.6 離散控制系統(tǒng)的性能分析 343
8.6.1 離散控制系統(tǒng)的
穩(wěn)定性分析 343

8.6.2 閉環(huán)極點與瞬態(tài)響應
的關系 346
8.6.3 離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 348
8.7 數字控制器的設計 351
8.7.1 數字控制器的模擬化設計 351
8.7.2 數字PID控制器 358
8.7.3 數字控制器的直接設計 360
8.8 MATLAB在本章中的應用 365
8.8.1 利用Simulink分析和設計
離散控制系統(tǒng) 365
8.8.2 利用MATLAB函數分析和
設計離散控制系統(tǒng) 368
8.8.3 利用SISO分析工具分析和設計離散控制系統(tǒng) 369
本章小結 370
習題 370
參考文獻 374