自动控制原理与仿真实验

本书从应用型本科高校的教学需求出发，以经典控制理论为主，较为系统地介绍了自动控制的基本理论及其应用，并引入控制领域广泛使用的MATLAB软件进行仿真实验与辅助设计与分析。全书共6章，包括：自动控制的基本概念，线性系统的数学模型，控制系统时域分析法，控制系统根轨迹分析法，控制系统频域分析法，控制系统的校正。每章都在开篇明确了教学目标。为方便教学，配有电子课件、教案、习题解答等教学资源。

本书从应用型本科高校的教学需求出发，以经典控制理论为主，较为系统地介绍了自动控制的基本理论及其应用，并引入控制领域广泛使用的MATLAB软件进行仿真实验与辅助设计与分析。全书共6章，包括绪论、线性系统的数学模型、控制系统时域分析法、控制系统根轨迹分析法、控制系统频域分析法、控制系统的校正。每章都在开篇明确了教学目标并配有理论与仿真实验习题。为方便教学，本书配有电子课件、教案、习题解答等教学资源。本书可作为应用型本科和高等职业院校物联网工程、人工智能、电子信息、计算机、机械、材料、化工等专业的自动控制原理教材。

林雯，毕业于福州大学，硕士，现任福建江夏学院物联网工程专业骨干教师，副教授。2018-2020年，担任《物联网控制技术与应用》、《物联网控制技术与应用实验》课程组负责人，并三次主讲。曾多次担任校级，厅级，省级科研及教学改革项目负责人。目前在研项目应用型本科物联网工程专业《自动控制原理与仿真实验》教材建设与实践。

第1章绪论1
1.1控制与自动控制1
1.2自动控制系统发展简史2
1.2.1前期控制阶段2
1.2.2经典控制阶段4
1.2.3现代控制阶段5
1.3自动控制系统的组成及相关术语6
1.4自动控制系统的分类7
1.4.1按系统结构特点分类7
1.4.2按输入信号特征分类10
1.4.3按系统的数学模型分类11
1.4.4按系统传递信号的性质分类11
1.5自动控制系统的基本要求12
1.6自动控制系统的分析设计步骤12
1.7自动控制系统的计算机仿真环境13
1.8本章小结13
1.9习题14
第2章线性系统的数学模型17
2.1系统建模的方法17
2.2线性系统微分方程描述18
2.2.1线性系统微分方程的建立18
2.2.2线性系统微分方程求解19
2.3控制系统的传递函数20
2.3.1传递函数的定义20
2.3.2传递函数的表示形式20
2.3.3传递函数的性质22
2.3.4传递函数的求取22自动控制原理与仿真实验目录2.4基于MATLAB的传递函数模型仿真实例23
2.5系统结构图27
2.5.1系统结构图的基本组成与绘制27
2.5.2系统结构图的等效变换28
2.6控制系统的典型环节33
2.7基于MATLAB的结构图等效变换仿真实例38
2.8信号流图与梅森增益公式41
2.8.1信号流图的组成41
2.8.2信号流图的性质42
2.8.3梅森增益公式42
2.8.4结构图与信号流图的转换43
2.9本章小结44
2.10习题45
2.11基于MATLAB的数学模型综合仿真实验题48
第3章控制系统时域分析法50
3.1稳定性分析50
3.1.1系统稳定性的概念50
3.1.2系统稳定的充分必要条件51
3.1.3特征根分析法53
3.1.4劳斯稳定判据53
3.1.5劳斯稳定判据的应用56
3.2基于MATLAB的稳定性分析仿真58
3.3典型输入信号61
3.4控制系统时域分析65
3.4.1动态性能指标65
3.4.2稳态性能指标67
3.5动态性能分析67
3.5.1一阶系统动态性能分析67
3.5.2二阶系统动态性能分析69
3.5.3二阶系统动态性能指标计算72
3.5.4高阶系统动态性能近似分析76
3.6基于MATLAB的动态性能分析仿真79
3.7稳态性能分析86
3.7.1误差与稳态误差86
3.7.2稳态误差的定义86
3.7.3典型闭环控制系统的稳态误差87
3.7.4输入信号作用下的系统稳态误差88
3.7.5扰动信号作用下的系统稳态误差93
3.7.6改善稳态精度的方法95
3.8基于MATLAB的稳态性能分析仿真96
3.8.1终值定理辅助计算稳态误差96
3.8.2SIMULINK辅助输出稳态误差97
3.9本章小结99
3.10习题100
3.11基于MATLAB的时域分析综合仿真实验题104
3.11.1稳定性分析104
3.11.2动态性能分析105
3.11.3稳态性能分析106
第4章控制系统根轨迹分析法107
4.1根轨迹的基本概念107
4.2根轨迹方程109
4.3根轨迹绘制的基本规则112
4.4根轨迹绘制示例115
4.5广义根轨迹121
4.5.1参数根轨迹121
4.5.2正反馈系统根轨迹121
4.6基于MATLAB的根轨迹绘制仿真123
4.6.1MATLAB绘制根轨迹的相关函数124
4.6.2根轨迹绘制仿真实例124
4.7基于MATLAB的根轨迹分析仿真129
4.7.1利用根轨迹分析控制系统的稳定性129
4.7.2利用根轨迹分析控制系统的动态性能131
4.7.3利用根轨迹分析控制系统的稳态性能133
4.7.4增加开环零点对根轨迹及系统性能的影响133
4.7.5增加开环极点对根轨迹及系统性能的影响135
4.7.6MATLAB图形化根轨迹分析工具rltool137
4.8本章小结140
4.9习题142
4.10基于MATLAB的根轨迹分析综合仿真实验题143
第5章控制系统频域分析法146
5.1频率特性的基本概念146
5.1.1频率特性的定义146
5.1.2频率特性的性质149
5.1.3频率特性的表示方法149
5.2典型环节频率特性152
5.2.1比例环节152
5.2.2积分环节153
5.2.3纯微分环节154
5.2.4惯性环节155
5.2.5一阶微分环节156
5.2.6振荡环节157
5.2.7二阶微分环节158
5.2.8最小相位系统与非最小相位系统159
5.3系统开环频率特性曲线的绘制160
5.3.1开环幅相频率特性161
5.3.2开环对数频率特性164
5.4利用频率特性法分析线性系统的性能167
5.4.1奈奎斯特稳定判据167
5.4.2对数稳定判据171
5.4.3稳定裕量172
5.4.4开环频率特性的三频段概念174
5.5基于MATLAB的频域分析仿真176
5.5.1MATLAB频域分析的相关函数176
5.5.2利用MATLAB进行频域分析示例177
5.6本章小结189
5.7习题191
5.8基于MATLAB的频域分析综合仿真实验195
第6章控制系统的校正197
6.1控制系统校正概述197
6.1.1校正的基本概念197
6.1.2控制系统的性能指标198
6.1.3系统校正方式198
6.2常用校正方法200
6.2.1串联超前校正200
6.2.2串联滞后校正206
6.2.3串联滞后—超前校正213
6.3PID校正218
6.3.1比例控制219
6.3.2积分控制220
6.3.3比例—积分控制221
6.3.4微分控制223
6.3.5比例—微分控制224
6.3.6比例—积分—微分控制225
6.3.7比例—积分—微分控制时域分析227
6.4基于MATLAB的控制系统校正仿真229
6.4.1基于MATLAB的串联超前校正229
6.4.2基于MATLAB的串联滞后校正234
6.4.3基于MATLAB的串联滞后—超前校正238
6.4.4基于MATLAB的PID控制240
6.5本章小结249
6.6习题250
6.7基于MATLAB的控制系统校正仿真实验253
参考文献255