自动控制原理

本书全面地阐述经典控制理论的基本概念、原理和自动控制系统的各种分析方法。主要内容包括：控制系统的数学模型、线性控制系统的时域响应分析法、线性控制系统的根轨迹分析法、线性控制系统的频域分析法、线性控制系统的校正方法、非线性控制系统的分析、线性离散控制系统的分析与设计。本书取材优选实用，讲解深入浅出，各章选例和习题丰富，且均有用MATLAB/Simulink编写的仿真及解题实例，便于读者自学。

李国勇，太原理工大学教授，山西省电机工程协会会员、山西省自动化协会会员，主要授课课程：自动控制原理、现代控制理论基础、过程控制系统、系统仿真及机辅分析、可编程控制器编程与应用、很优控制理论、人工智能及其应用、基于MATLAB的智能控制系统的分析与设计。

第1章绪论（1）
1.1自动控制的基本概念（1）
1.2自动控制系统的组成（3）
1.3自动控制系统的基本控制方式（4）
1.4自动控制系统的分类（5）
1.5自动控制系统的基本要求（8）
1.6自动控制理论的产生和发展（9）
小结（13）
习题（14）
第2章控制系统的数学模型（15）
2.1微分方程（15）
2.1.1微分方程的建立（16）
2.1.2微分方程的增量表示（21）
2.1.3非线性微分方程的线性化（22）
2.2传递函数（24）
2.2.1传递函数的定义（24）
2.2.2传递函数的常用形式（27）
2.2.3传递函数的特点（29）
2.2.4典型环节的传递函数（29）
2.3结构图（33）
2.3.1结构图的概念（33）
2.3.2结构图的简化（34）
2.4信号流图（41）
2.4.1信号流图的概念（42）
2.4.2信号流图的绘制（43）
2.4.3梅逊增益公式（44）
2.5利用MATLAB描述和求解系统数学模型（46）
2.5.1利用MATLAB描述系统数学模型（46）
2.5.2利用MATLAB实现数学模型间的转换（47）
2.5.3利用MATLAB化简系统数学模型（47）
小结（49）
习题（49）
第3章线性控制系统的时域分析法（52）
3.1时域分析的基础知识（52）
3.1.1典型输入信号（52）
3.1.2系统时域响应的形式（54）
3.1.3系统时域响应的性能指标（55）
3.2系统的稳定性（57）
3.2.1稳定性的基本概念（57）
3.2.2线性控制系统稳定的条件（58）
3.2.3代数稳定判据（60）
3.2.4系统参数对稳定性的影晌（63）
3.2.5相对稳定性和稳定裕量（64）
3.3系统的时域响应（64）
3.3.1一阶系统的时域响应（64）
3.3.2二阶系统的时域响应（66）
3.3.3高阶系统的时域响应（74）
3.4系统的稳态误差（77）
3.4.1稳态误差的定义（77）
3.4.2静态误差系数法（78）
3.4.3动态误差系数法（80）
3.4.4给定信号和扰动信号同时作用下的稳态误差（82）
3.5基于MATLAB的控制系统时域分析（84）
3.5.1利用MATLAB分析系统的稳定性（84）
3.5.2利用MATLAB分析系统的动态特性（84）
3.5.3利用MATLAB计算系统的稳态误差（87）
小结（88）
习题（88）
第4章线性控制系统的根轨迹分析法（92）
4.1根轨迹分析的基础知识（92）
4.1.1根轨迹的基本概念（92）
4.1.2根轨迹的基本条件（94）
4.2常规根轨迹的绘制（95）
4.2.1负反馈系统的根轨迹（95）
4.2.2正反馈系统的根轨迹（105）
4.2.3180°等相角根轨迹和0°等相角根轨迹（107）
4.3参数根轨迹的绘制（107）
4.3.1单参数根轨迹（108）
4.3.2多参数根轨迹（109）
4.4纯迟延根轨迹的绘制（111）

4.5利用根轨迹分析控制系统（114）
4.5.1利用根轨迹定性分析（115）
4.5.2利用根轨迹定量分析（116）
4.6利用MATLAB进行根轨迹分析（119）
4.6.1绘制系统根轨迹和获得根轨迹增益（119）
4.6.2绘制阻尼系数和自然频率的栅格线（121）
小结（122）
习题（122）
第5章线性控制系统的频域分析法（126）
5.1频域分析的基础知识（126）
5.1.1频率特性的基本概念（126）
5.1.2频率特性的表示方法（128）
5.2典型环节的频率特性（130）
5.2.1比例环节（130）
5.2.2积分环节（131）
5.2.3微分环节（131）
5.2.4一阶惯性环节（132）
5.2.5一阶比例微分环节（134）
5.2.6二阶振荡环节（134）
5.2.7纯滞后环节（136）
5.3系统的开环频率特性（137）
5.3.1开环频率特性的三种图示法（137）
5.3.2最小相位系统的开环频率特性（144）
5.3.3奈奎斯特稳定判据（147）
5.3.4控制系统的稳定裕量（156）
5.4系统的闭环频率特性（159）
5.4.1等M圆（等幅值轨迹）和等N圆（等相角轨迹）（159）
5.4.2利用等M圆和等N圆求系统的闭环频率特性（161）
5.4.3利用Nichols图求系统的闭环频率特性（163）
5.5利用频率特性对闭环系统进行分析（164）
5.5.1系统频域特性与稳态性能的关系（164）
5.5.2系统频域特性与时域性能的关系（165）
5.6基于MATLAB的控制系统频域分析（168）
5.6.1利用MATLAB绘制Bode图（168）
5.6.2利用MATLAB绘制奈奎斯特图（169）
5.6.3利用MATLAB绘制Nichols图（170）
5.6.4利用MATLAB计算系统的相角裕量和幅值裕量（170）
5.6.5利用MATLAB绘制系统的闭环频率特性曲线（171）
小结（172）

习题（173）
第6章线性控制系统的校正方法（177）
6.1线性控制系统的基础知识（177）
6.1.1性能指标（177）
6.1.2校正方式（178）
6.2串联校正（179）
6.2.1串联校正装置及其特性（179）
6.2.2频率法串联校正（185）
6.2.3根轨迹法串联校正（194）
6.3反馈校正（204）
6.3.1反馈校正的原理（204）
6.3.2反馈校正的设计（205）
6.4复合校正（206）
6.4.1按输入补偿的复合校正（206）
6.4.2按扰动补偿的复合校正（208）
6.5基于MATLAB的控制系统校正（209）
6.5.1利用MATLAB实现频率法的串联校正（209）
6.5.2利用MATLAB实现根轨迹法的串联校正（213）
小结（218）
习题（218）
第7章非线性控制系统的分析（221）
7.1非线性控制系统的基础知识（221）
7.1.1非线性系统的特点（221）
7.1.2常见的非线性特性（223）
7.1.3非线性系统的分析方法（225）
7.2相平面分析法（225）
7.2.1相平面概述（225）
7.2.2相轨迹图的绘制（231）
7.2.3由相轨迹图求系统的暂态响应（235）
7.2.4控制系统的相平面分析（236）
7.3描述函数分析法（242）
7.3.1描述函数概述（243）
7.3.2典型非线性环节的描述函数（244）
7.3.3非线性系统的描述函数法分析（247）
7.3.4非线性系统的简化（253）
7.4基于MATLAB的非线性系统分析（254）
7.4.1利用MATLAB求解非线性系统的线性化模型（254）
7.4.2基于MATLAB的相平面法分析非线性系统（256）
7.4.3基于MATLAB的描述函数法分析非线性系统（259）

小结（260）
习题（261）
第8章线性离散控制系统的分析与设计（264）
8.1线性离散控制系统的基础知识（264）
8.1.1信号的采样（265）
8.1.2信号的保持（268）
8.2z变换及其反变换（270）
8.2.1z变换定义（270）
8.2.2z变换方法（271）
8.2.3z变换的基本定理（272）
8.2.4z反变换（275）
8.3离散系统的数学模型（276）
8.3.1差分方程（276）
8.3.2脉冲传递函数（278）
8.4离散控制系统的稳定性分析（283）
8.4.1离散控制系统稳定的条件（283）
8.4.2代数稳定判据（284）
8.5离散控制系统的稳态误差（286）
8.5.1典型输入信号下的稳态误差（286）
8.5.2扰动信号作用下的稳态误差（288）
8.6离散控制系统的动态性能（288）
8.6.1离散系统的输出响应（289）
8.6.2闭环零点、极点分布对瞬态响应的影响（289）
8.6.3离散系统的根轨迹分析（292）
8.7离散控制系统的校正（293）
8.7.1采用Bode图的方法（293）
8.7.2最少拍控制系统的校正（295）
8.8基于MATLAB的离散控制系统的分析与设计（297）
8.8.1利用MATLAB实现z变换（297）
8.8.2利用MATLAB实现连续系统的离散化（298）
8.8.3利用MATLAB分析离散控制系统的稳定性（298）
8.8.4利用MATLAB计算离散系统的稳态误差（299）
8.8.5利用MATLAB分析离散系统的动态特性（299）
小结（301）
习题（301）
附录A拉普拉斯变换（303）
附录B习题参考答案（308）
参考文献（315）