自动控制技术及应用（第2版）

本书充分融入思政元素，突出高职教育特色，更好地贴近生产实际和岗位需求，融入国家职业技能鉴定标准、“1+X”职业技能等级证书培训等，以“典型自动控制系统的分析、调试与故障排除”为主线，结合编者多年的教学经验与校企“双元”合作成果课程改革进行修订。 本书针对实际自动控制系统分析、调试与维修过程中不同阶段所应具有的知识和能力进行介绍。本书设有5个单元，主要内容包括自动控制系统基础、自动控制系统数学模型建立、自动控制系统时域分析法、自动控制系统频域分析法、线性系统的校正与设计。本书将理论知识与实践技能有机融合，设有18个技能训练，同时通过大量的工程应用实例将MATLAB的应用贯穿各教学单元。本书各教学单元设有教学导航，以体现知识目标、技能目标及思政元素等。 本书为高等职业本专科院校自动化类相关专业的教材，也可作为开放大学、成人教育、自学考试、中职学校、培训班的教材，以及自动化工程技术人员的参考教材。 本书为省级在线开放课程配套教材，提供多种免费教学资源，详见前言。

陈慧蓉 教授，毕业于安徽工程大学检测与自动控制专业，现在芜湖职业技术学院已从事二十多年的电气类课程的教学研究工作，为国家示范建设专业、现代学徒制试点专业（电气自动化技术专业）的专业带头人，省级教学团队的团队带头人，安徽省第二批企业科技特派员，具有丰富的教学与实践经验。

单元1 自动控制系统基础 1 教学导航 1 1.1 自动控制的概念及发展 2 1.1.1 自动控制的基本概念 2 1.1.2 自动控制的发展阶段 3 1.2 自动控制系统的组成与控制方式 4 1.2.1 自动控制系统的组成框图 4 1.2.2 自动控制系统组成框图绘制 5 1.2.3 自动控制系统的控制方式 7 技能训练1 单闭环有静差直流调速系统组成框图绘制 8 1.3 自动控制系统的分类 9 1.4 自动控制系统的性能及分析方法 10 1.4.1 自动控制系统的性能要求 10 1.4.2 自动控制系统的性能分析方法 11 1.5 MATLAB应用基础 12 1.5.1 MATLAB工作环境 12 1.5.2 m文件 13 1.5.3 MATLAB基本语句结构 15 1.5.4 MATLAB的运算 16 1.5.5 MATLAB二维图形绘制 19 知识梳理与总结 21 思考与练习题1 22 单元2 自动控制系统数学模型建立 24 教学导航 24 2.1 拉氏变换及其应用 25 2.1.1 拉氏变换定义 25 2.1.2 常用函数的拉氏变换 25 2.1.3 拉氏变换的运算定理 27 2.1.4 拉氏反变换 30 2.1.5 应用拉氏变换求解微分方程 32 2.2 时域数学模型―微分方程 33 2.2.1 自动控制系统微分方程的建立 33 2.2.2 运动的模态 35 2.3 复域数学模型―传递函数 36 2.3.1 传递函数的定义和性质 36 2.3.2 传递函数的求取 37 技能训练2 用MATLAB建立传递函数参数模型 40 2.3.3 典型环节的数学模型 42 技能训练3 自动控制系统典型环节的模拟与测试 48 2.4 自动控制系统的方框图 50 2.4.1 方框图的组成与建立 50 2.4.2 有关方框图的几个概念 53 2.4.3 方框图的等效变换与简化 53 2.4.4 梅逊公式 56 技能训练4 基于MATLAB的模型等效变换与简化 57 2.5 反馈控制系统的传递函数 61 2.5.1 系统的闭环传递函数 62 2.5.2 系统的误差传递函数 62 技能训练5 单闭环直流调速系统数学模型建立 63 2.6 Simulink建立系统模型及数字仿真 66 2.6.1 Simulink启动及模块库 67 2.6.2 使用Simulink建立系统方框图模型 69 2.6.3 利用Simulink进行数字仿真 70 知识梳理与总结 74 思考与练习题2 75 单元3 自动控制系统时域分析法 79 教学导航 79 3.1 系统的时间响应与性能指标 80 3.1.1 自动控制系统的时间响应 80 3.1.2 自动控制系统的性能指标 80 技能训练6 基于MATLAB的系统单位阶跃响应分析 82 3.2 一阶系统的动态性能分析 85 3.2.1 一阶系统的数学模型 85 3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应及动态性能指标 85 3.3 二阶系统的动态性能分析 87 3.3.1 二阶系统的数学模型 87 3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应 88 3.3.3 欠阻尼二阶系统的动态性能指标 90 3.3.4 二阶系统性能的改善 93 技能训练7 典型二阶系统模拟电路及性能分析测试 94 3.4 高阶系统动态性能分析 96 技能训练8 基于MATLAB的高阶系统动态性能分析 98 3.5 线性系统稳定性分析 101 3.5.1 稳定性的基本概念 101 3.5.2 线性系统稳定的充要条件 102 3.5.3 劳斯稳定判据 103 3.5.4 利用MATLAB分析系统的稳定性 106 技能训练9 三阶系统的稳定性分析 109 3.6 线性系统稳态性能分析 112 3.6.1 误差与稳态误差 112 3.6.2 系统型别 113 3.6.3 给定输入信号作用下的稳态误差计算 114 3.6.4 扰动输入信号作用下的稳态误差计算 117 技能训练10 基于Simulink系统的稳态误差分析 119 技能训练11 转速负反馈有静差直流调速系统性能分析 120 技能训练12 调速系统的分析、调试与维护 122 知识梳理与总结 124 思考与练习题3 125 单元4 自动控制系统频域分析法 128 教学导航 128 4.1 频率特性基本概念 129 4.1.1 频率特性定义 129 4.1.2 频率特性与传递函数的关系 130 4.1.3 频率特性的数学表示法 130 4.1.4 频率特性的图形表示法 131 4.2 典型环节频率特性 133 4.2.1 比例环节频率特性 133 4.2.2 积分环节频率特性 134 4.2.3 微分环节频率特性 135 4.2.4 惯性环节频率特性 135 4.2.5 比例-微分环节频率特性 137 4.2.6 振荡环节频率特性 138 4.2.7 延迟环节频率特性 140 技能训练13 典型环节频率特性测试 141 4.3 开环幅相频率特性曲线绘制 143 4.4 开环对数频率特性曲线绘制 146 4.4.1 叠加法绘制 146 4.4.2 直接法绘制 148 4.4.3 最小相位系统 149 4.4.4 传递函数的频域实验确定 150 4.5 频域的稳定判据 151 4.5.1 闭环特征式的构造与特点 151 4.5.2 映射定理 151 4.5.3 开环传递函数不含积分环节的奈奎斯特稳定判据 152 4.5.4 开环传递函数含积分环节的奈奎斯特稳定判据 156 4.5.5 对数频率稳定判据 158 技能训练14 基于MATLAB绘制开环幅相频率特性曲线及其稳定性分析 159 4.6 稳定裕度 162 4.6.1 相角裕度 162 4.6.2 幅值裕度 165 技能训练15 基于MATLAB绘制开环对数频率特性曲线及其频域分析 166 4.7 频率特性与系统性能的关系 169 4.7.1 开环频域指标与时域指标间的关系 169 4.7.2 开环频率特性分析闭环系统性能 171 4.7.3 闭环频域指标与时域指标间的关系 172 知识梳理与总结 174 思考与练习题4 175 单元5 线性系统的校正与设计 179 教学导航 179 5.1 校正方式与装置 180 5.1.1 校正概念 180 5.1.2 校正方式 180 5.1.3 校正装置 181 5.2 串联校正 183 5.2.1 串联超前校正 183 5.2.2 串联滞后校正 187 5.2.3 串联滞后-超前校正 191 技能训练16 自动控制系统的串联校正设计与实现 194 技能训练17 基于MATLAB的串联校正设计与仿真 196 5.3 基本PID控制 198 5.3.1 比例控制 198 5.3.2 比例-微分控制 199 5.3.3 比例-积分控制 201 5.3.4 比例-积分-微分控制 203 技能训练18 PID控制器设计及其参数整定 204 知识梳理与总结 207 思考与练习题5 208