自动控制原理(第2版)/李红星/教材

本书系统地介绍了经典控制理论的基本概念、基本原理和基本方法，从控制理论的基础知识入手，结合生产和生活中的实例，较深入地介绍了建立自动控制系统在时域和频域中的数学模型、方块图、信号流图及简化方法；围绕自动控制系统的稳定性、稳态特性和动态特性，详细介绍了用于分析和设计系统的时域法、根轨迹法和频域法，离散系统的稳定性、稳态特性和动态特性的分析方法和数字控制器的设计方法；并对非线性控制系统的描述函数法和相平面法做了介绍。书中引入了matlab的应用，详细介绍了采用matlab进行控制系统的分析与设计的仿真方法，通过大量的仿真实例，可以帮助读者更好地理解系统分析与设计的基本思路和方法。

李红星，北京联合大学自动化学院教授，自动化专业负责人，控制学科带头人，校学术委员会委员，自动化工程研究所所长。

第1章  自动控制的基本概念 1
1.1  引言 1
1.2  开环控制系统与闭环控制系统 2
1.2.1  开环控制系统 2
1.2.2  闭环控制系统 3
1.2.3  闭环控制系统的组成 4
1.3  自动控制系统的分类 5
1.3.1  按输入信号形式分类 5
1.3.2  按系统中信号传递的性质分类 5
1.3.3  按系统的输入/输出特性分类 6
1.3.4  按系统中参数的时间特性分类 6
1.4  控制系统举例 7
1.4.1  蒸汽机转速控制系统 7
1.4.2  温度控制系统 8
1.4.3  位置随动系统 8
1.4.4  电冰箱制冷系统 9
1.5  对自动控制系统的基本要求 9
小结 10
习题 11
第2章  控制系统的数学模型 14
2.1  引言 14
2.1.1  系统数学模型的定义及特点 14
2.1.2  系统数学模型的类型和建模方法 14
2.2  建立系统的时域数学模型 15
2.2.1  电路系统举例 15
2.2.2  机械力学系统举例 16
2.2.3  机电系统举例 17
2.2.4  流体系统的建模 19
2.2.5  复杂系统举例 19
2.2.6  微分方程建立步骤 21
2.3  非线性系统的线性化 21
2.3.1  小偏差线性化概念 22
2.3.2  线性化方法 22
2.4  微分方程求解 24
2.5  建立系统的复域数学模型 25
2.5.1  传递函数的定义 25
2.5.2  传递函数的性质 27
2.5.3  零点、极点和传递系数 27
2.6  系统的典型环节及传递函数 28
2.6.1  比例环节 28
2.6.2  惯性环节 29
2.6.3  积分环节 30
2.6.4  微分环节 31
2.6.5  振荡环节 31
2.6.6  延时环节 31
2.7  系统方块图 32
2.7.1  方块图的定义 32
2.7.2  方块图的组成和绘制 33
2.7.3  方块图等效变换和简化 36
2.7.4  方块图化简举例 39
2.8  系统信号流图 41
2.8.1  信号流图的基本概念 42
2.8.2  信号流图的画法及简化规则 43
2.8.3  梅逊增益公式 45
2.9  利用MATLAB求解系统的传递函数 46
2.9.1  num和den函数 47
2.9.2  典型化简函数 47
小结 49
习题 49
第3章  线性系统的时域分析法 54
3.1  引言 54
3.1.1  典型输入信号 54
3.1.2  典型时间响应 56
3.1.3  控制系统的性能指标 56
3.2  一阶系统的时域分析 58
3.2.1  一阶系统的数学模型 58
3.2.2  一阶系统的单位阶跃响应 58
3.2.3  一阶系统的单位斜坡响应 59
3.2.4  一阶系统的单位脉冲响应 60
3.2.5  一阶系统的单位加速度响应 61
3.2.6  线性定常系统的重要特性 61
3.3  二阶系统的时域分析 63
3.3.1  二阶系统的数学模型 63
3.3.2  二阶系统的单位阶跃响应 64
3.3.3  欠阻尼二阶系统的动态性能指标 67
3.3.4  二阶系统动态性能的改善 71
3.4  高阶系统的时域分析 74
3.4.1  高阶系统的单位阶跃响应 74
3.4.2  高阶系统的降阶 76
3.5  线性系统的稳定性分析 77
3.5.1  线性系统稳定性的概念和稳定的充分必要条件 77
3.5.2  代数稳定判据 78
3.6  线性系统的稳态误差分析 82
3.6.1  误差与稳态误差的定义 82
3.6.2  稳态误差的分析与计算 83
3.6.3  减小稳态误差的方法 88
3.7  用MATLAB进行系统时域分析 89
3.7.1  用MATLAB求系统的输出响应 89
3.7.2  用MATLAB求系统的动态性能指标 91
3.7.3  用MATLAB研究系统的稳定性 92
3.7.4  用MATLAB求静态误差系数及系统的稳态误差 93
小结 93
习题 94
第4章  根轨迹法 99
4.1  根轨迹的基本概念 99
4.2  根轨迹的幅值条件和幅角条件 102
4.3  绘制根轨迹的基本法则 103
4.4  零度根轨迹 108
4.5  根轨迹绘制举例 109
4.6  参数根轨迹 112
4.7  延时系统的根轨迹 113
4.8  控制系统的根轨迹法分析 116
4.8.1  开环零、极点对根轨迹的影响 116
4.8.2  由根轨迹分析控制系统 118
4.9  利用MATLAB绘制根轨迹及分析系统 119
小结 125
习题 125
第5章  线性系统的频域分析法 130
5.1  引言 130
5.2  频率特性 130
5.2.1  频率特性的基本概念 130
5.2.2  频率特性的图形表示法 132
5.3  对数频率特性图（伯德图） 132
5.3.1  对数频率特性图及其特点 132
5.3.2  典型环节的对数频率特性图 133
5.3.3  系统开环对数频率特性的绘制 139
5.3.4  最小相位系统和非最小相位系统 142
5.3.5  确定传递函数的频域实验方法 143
5.3.6  开环频率特性和系统性能的关系 149
5.4  极坐标图（奈奎斯特图） 150
5.4.1  典型环节的极坐标图 150
5.4.2  系统开环极坐标图的绘制 153
5.5  奈奎斯特稳定判据 156
5.5.1  幅角原理 156
5.5.2  奈奎斯特稳定判据 158
5.6  控制系统的相对稳定性 166
5.7  闭环系统频域性能指标 169
5.7.1  系统闭环频率特性 169
5.7.2  利用等M圆图和等N圆图求闭环频域特性 170
5.7.3  频域性能指标与时域指标的关系 172
5.8  用MATLAB进行系统频域分析 175
5.8.1  用MATLAB绘制伯德图 175
5.8.2  用MATLAB绘制极坐标图 177
5.8.3  用MATLAB求系统的稳定裕度 179
5.8.4  用MATLAB绘制尼柯尔斯图 180
小结 181
习题 182
第6章  线性系统的设计方法 187
6.1  引言 187
6.1.1  性能指标 187
6.1.2  校正方式 188
6.2  校正装置 189
6.2.1  超前校正网络及其特性 189
6.2.2  滞后校正网络及其特性 191
6.2.3  滞后-超前校正网络及其特性 192
6.3  串联校正 193
6.3.1  基于频率响应法的串联校正 194
6.3.2  基于根轨迹法的串联校正 200
6.4  反馈校正 207
6.4.1  比例负反馈 207
6.4.2  微分负反馈 208
6.4.3  负反馈 208
6.5  复合校正 211
6.5.1  按扰动补偿的复合控制系统 211
6.5.2  按输入补偿的复合控制系统 212
6.6  PID控制器 214
6.6.1  比例微分（PD）控制 214
6.6.2  比例积分（PI）控制 215
6.6.3  比例积分微分（PID）控制 215
6.7  用MATLAB进行系统校正 218
小结 223
习题 223
第7章  线性离散控制系统 229
7.1  离散系统基本概念及其应用 229
7.1.1  由连续控制系统到离散控制系统 229
7.1.2  离散控制系统的典型结构 230
7.2  采样器和保持器 231
7.2.1  采样器 231
7.2.2  采样定理 232
7.2.3  保持器 233
7.3  Z变换 234
7.3.1  z变换定义 235
7.3.2  求z变换的方法 235
7.3.3  z变换的基本性质 237
7.3.4  z反变换 239
7.4  脉冲传递函数 240
7.4.1  脉冲传递函数的定义及求法 240
7.4.2  开环离散系统的脉冲传递函数 241
7.4.3  闭环离散系统的脉冲传递函数 244
7.5  离散系统的稳定性分析 248
7.5.1  时域中的离散系统稳定的充分必要条件 248
7.5.2  s平面与z平面的映射关系 249
7.5.3  z域中离散系统稳定的充分必要条件 250
7.5.4  离散系统的劳斯稳定判据 251
7.5.5  采样周期与开环增益对离散系统稳定性的影响 253
7.6  离散系统的稳态误差 254
7.7  离散系统的动态性能分析 257
7.8  离散控制系统设计――最少拍控制系统 260
7.8.1  稳定、不含纯滞后环节的广义对象的最少拍控制器设计 260
7.8.2  任意广义对象的最少拍控制器设计 264
7.8.3  最少拍无纹波控制器设计 266
7.9  MATLAB在离散控制系统中的应用 268
7.9.1  MATLAB用于连续系统的离散化 268
7.9.2  MATLAB用于求离散系统的响应 269
7.9.3  MATLAB用于离散系统的稳定性分析 270
小结 270
习题 271
第8章  非线性系统分析 275
8.1  非线性系统的一般概念 275
8.1.1  非线性系统的特点 275
8.1.2  典型非线性及对系统性能的影响 278
8.2  描述函数法 281
8.2.1  非线性特性的描述函数 281
8.2.2  非线性控制系统的描述函数分析 285
8.2.3  用MATLAB的Simulink仿真分析非线性控制系统 288
8.3  相平面法 289
8.3.1  相轨迹特征及性质 289
8.3.2  相轨迹的绘制 296
8.3.3  利用MATLAB绘制相轨迹图 297
8.4  非线性系统的相平面分析 299
8.4.1  用相平面法分析非线性系统 299
8.4.2  用非线性特性改善系统性能 304
小结 306
习题 306
参考文献 310