自动控制原理

本书结合具体的控制系统介绍了自动控制的基本理论及工程应用。主要内容包括绪论、控制系统的数学模型、线性系统的时域分析、根轨迹法、线性系统的频域分析、控制系统设计、非线性系统分析、线性离散系统、线性系统的状态空间分析，以及自动控制系统综合案例。本书融入了课程思政内容，从实际应用出发，突出物理概念，减少数学公式推导；强化工程应用中常用知识点的介绍，采用不同方法对一个工程实例进行分析和设计，阐明自动控制原理的应用。

第1章绪论1
1.1自动控制的基本概念1
1.1.1自动控制的定义1
1.1.2控制理论的发展过程1
1.1.3自动控制系统的组成2
1.1.4自动控制系统的基本控制方式4
1.2自动控制系统的分类6
1.3对自动控制系统的基本要求7
1.4控制系统实例8
1.4.1电冰箱制冷控制系统8
1.4.2函数记录仪9
1.4.3炉温控制系统10
本章小结11
习题11
第2章控制系统的数学模型13
2.1微分方程的建立13
2.2传递函数14
2.2.1传递函数的基本概念14
2.2.2传递函数的性质15
2.2.3典型环节及其传递函数16
2.3结构图17
2.3.1结构图的组成和绘制17
2.3.2结构图的等效变换18
2.4信号流图23
2.4.1信号流图的基本概念23
2.4.2信号流图的绘制24
2.4.3梅森增益公式及其应用25
本章小结26
习题27
第3章线性系统的时域分析29
3.1典型输入信号29
3.2自动控制系统的时域性能指标31
3.3一阶系统的时域分析32
3.3.1一阶系统的数学模型32
3.3.2一阶系统的单位阶跃响应及性能分析32
3.3.3一阶系统的单位斜坡响应及性能分析33
3.3.4一阶系统的单位加速度响应及性能分析33
3.3.5一阶系统的单位脉冲响应及性能分析34
3.4二阶系统的时域分析34
3.4.1二阶系统的数学模型34
3.4.2二阶系统的单位阶跃响应35
3.4.3欠阻尼二阶系统的动态性能分析37
3.4.4二阶系统的单位斜坡响应42
3.4.5二阶系统性能的改善44
3.5高阶系统的时域分析46
3.6稳定性分析48
3.6.1系统稳定的充分必要条件49
3.6.2劳斯判据50
3.6.3相对稳定性53
3.7稳态误差54
3.7.1误差的定义54
3.7.2输入引起的稳态误差55
3.7.3静态误差系数56
3.7.4扰动作用下的稳态误差59
3.7.5改善系统稳态精度的方法60
本章小结62
习题63
第4章根轨迹法67
4.1根轨迹的基本概念67
4.1.1根轨迹67
4.1.2根轨迹方程68
4.2根轨迹图的绘制法则70
4.3参数根轨迹80
4.4利用根轨迹分析系统性能82
4.4.1已知根轨迹增益确定闭环极点和传递函数82
4.4.2已知系统性能指标确定闭环极点83
4.4.3增加开环零点对系统性能的影响84
4.4.4增加开环极点对系统性能的影响87
本章小结88
习题89
第5章线性系统的频域分析92
5.1频率特性的基本概念92
5.1.1频率特性的定义92
5.1.2频率特性的表示方法93
5.2典型环节及系统频率特性94
5.2.1典型环节的频率特性95
5.2.2开环系统的频率特性103
5.3频域特性法的稳定性分析109
5.3.1奈奎斯特稳定判据109
5.3.2稳定裕度114
5.3.3开环对数幅频特性曲线与系统性能之间的关系117
本章小结126
习题127
第6章控制系统设计131
6.1概述131
6.2PID控制器131
6.2.1PID控制器概述131
6.2.2比例控制器131
6.2.3比例微分控制器132
6.2.4积分控制器133
6.2.5比例积分控制器133
6.2.6比例积分微分控制器134
6.3基于频域法的控制系统设计135
6.3.1相位超前补偿135
6.3.2相位滞后补偿137
6.3.3相位滞后?超前补偿138
6.3.4串联补偿网络的期望幅频特性设计方法139
6.3.5反馈补偿146
本章小结148
习题148
第7章非线性系统分析150
7.1非线性系统概述150
7.1.1为什么研究非线性系统150
7.1.2非线性系统的特性150
7.1.3非线性系统的特点153
7.1.4非线性系统的分析方法154
7.2相平面法155
7.2.1相平面的基本概念155
7.2.2相轨迹的绘制156
7.2.3奇点158
7.2.4非线性系统的相平面分析160
7.3描述函数法162
7.3.1描述函数的基本概念162
7.3.2典型非线性环节的描述函数166
7.3.3非线性系统的描述函数法分析170
本章小结176
习题177
第8章线性离散系统179
8.1计算机控制系统概述179
8.1.1计算机控制系统简图179
8.1.2计算机控制系统的组成180
8.1.3计算机控制系统的特点180
8.1.4信号的采样与恢复181
8.2计算机控制系统分析181
8.2.1离散系统的稳定性分析181
8.2.2线性采样系统稳定的充要条件183
8.2.3离散系统的过渡响应分析184
本章小结186
习题186
第9章线性系统的状态空间分析187
9.1概述187
9.2基本概念187
9.2.1系统187
9.2.2系统状态空间描述188
9.2.3动态系统状态空间表达式的一般形式190
9.3线性多变量系统的运动分析191
9.3.1线性系统状态方程的解192
9.3.2状态转移矩阵的性质192
9.4Lyapunov稳定性分析194
9.4.1概述194
9.4.2Lyapunov意义下的稳定性问题194
9.5Lyapunov稳定性理论195
9.5.1Lyapunov第一法195
9.5.2Lyapunov第二法196
本章小结198
习题198
第10章自动控制系统综合案例200
10.1水位控制系统建模200
10.1.1单容水箱200
10.1.2双容水箱和三容水箱201
10.2系统性能分析202
10.2.1时域分析法的水位控制系统分析202
10.2.2根轨迹分析法和频域分析法的水位控制系统分析205
10.3系统的校正和综合设计206
10.3.1超前校正206
10.3.2PID控制器207
本章小结208
附录A拉普拉斯变换与反变换209
附录B常用函数的拉普拉斯变换表214
参考文献215