控制系统原理与工程基础

本教材的内容包括：自动控制系统的结构、微分方程与拉普拉斯变换、系统的瞬态响应、闭环系统的稳态误差、闭环系统的稳定性条件、奈奎斯特稳定性判据、系统的频率响应特性、系统时域与频域特性的关系、较优的系统模型、控制器的设计与实验调整方法、根轨迹法、控制系统实例、直流电机的控制、数字控制基础及模拟化设计方法。 本教材具有如下特点： (1) 参考认识和解决控制问题的过程，思路一贯，逐步深入，让学生随时明白自己正在学习的内容是为了解决什么问题，而非按照理论分块。 (2) 注重结合实际控制系统，对同一个问题从时域、频域等多角度加以分析，以阐述清楚控制原理。 (3) 注重阐释系统开环、闭环、时域、频域特征之间的关系。 读者对象：工科专业本科生、相关专业的技术人员

本书是为机械、仪器和车辆等高等学校工科专业的本科生编写的一本关于自动控制原理和方法的教材，主要针对单输入单输出线性定常控制系统阐述相关的理论和方法。
本书介绍了控制环节微分方程的建立、拉普拉斯变换及传递函数、系统的瞬态响应特性、稳态误差理论、稳定性判据和频率响应特性等基础理论；讨论了系统开环、闭环、时域和频域特性之间的关系及比较理想的开环频率特性；从频率特性的角度论述了各神控制器的工作原理和设计方法，分析了用根轨迹法设计控制器的思路和过程，还介绍了二自由度控制、输入前馈控制和干扰前馈补偿等控制结构，及多个控制系统实例。在数字控制部分，介绍了数字控制系统和z变换，主要讨论了用模拟-离散变换方法设计数字控制器的问题。
本书注重用图形和举例辅助对控制理论和方法的探讨。
除了用作本科生教材，本书也可作为相关专业的研究生和工程技术人员的参考资料。

陈志勇，男，1973-，2001年获工学博士学位于清华大学精密仪器系，现为清华大学精密仪器系副研究员。为国家精品课“控制工程基础”课组主讲教师，课组所开设的“控制工程基础”慕课课程于2017年获评教育部首届 “国家精品在线开放课程”。2020年课组开设的“控制工程基础”课程获评首届国家一流本科线下课程。参与教材撰写2部，其中“控制工程基础”第4版于2021年获全国教材建设二等奖。学科方向为仪器科学与技术，发表论文30余篇。

第1章绪论
1.1自动控制系统
1.2开环控制与闭环控制
1.3闭环控制系统的实现形式
1.4系统的干扰和输入

第2章控制环节的数学描述
2.1一些物理环节的数学描述
2.2线性环节的数学模型的一般形式
习题

第3章拉普拉斯变换与传递函数
3.1线性微分方程
3.1.1线性齐次微分方程的一般理论
3.1.2常系数线性齐次微分方程的解
3.1.3高阶线性非齐次微分方程的解
3.2拉普拉斯变换
3.2.1拉普拉斯变换的定义
3.2.2常用函数及其拉普拉斯变换
3.2.3拉普拉斯变换的性质
3.2.4拉普拉斯逆变换
3.2.5用拉普拉斯变换法解微分方程
3.3传递函数
3.3.1传递函数的定义
3.3.2传递函数实例
3.3.3相关名词
习题

第4章系统的瞬态响应特性
4.1一阶系统的瞬态响应
4.2二阶系统的瞬态响应
4.3高阶系统的瞬态响应
4.4瞬态响应的性能指标
习题

第5章控制系统的框图和传递函数
5.1控制系统的框图
5.2框图的简化和等效变换
5.3梅森公式
5.4叠加原理和闭环控制系统的传递函数
习题

第6章反馈控制系统的工作机制和稳态误差
6.1反馈控制系统的工作机制
6.1.1温度控制箱的自动控制框图
6.1.2尝试设计控制器
6.1.3能实现零稳态误差的控制器
6.2反馈控制系统的稳态误差
6.2.1控制系统理想的输入-输出关系
6.2.2稳态偏差和稳态误差
6.2.3相应于输入信号的稳态偏差
6.2.4干扰引起的稳态偏差
6.2.5内模原理
习题

第7章系统的稳定性与劳斯-赫尔维茨判据
7.1闭环系统的稳定性问题
7.2系统稳定性的实质
7.3劳斯赫尔维茨判据
习题

第8章奈奎斯特稳定性判据
8.1映射定理
8.2奈奎斯特判据
8.3奈奎斯特图的作图及判据应用
习题

第9章系统的频率响应特性
9.1频率响应特性
9.2伯德图
9.3最小相位系统
9.4系统开环频率特性的关键参数
9.5开环与闭环频率响应特性的关系
9.6系统闭环频率响应的特征参数
习题

第10章闭环时域特性与开环频域特性的关系
10.1系统时域与频域特性的定性分析
10.2系统时域与频域参数的定量关系
10.2.1一个典型系统
10.2.2谐振峰值与相位裕量的关系
10.2.3优选超调量与相位裕量的关系
10.2.4建立时间与相位裕量及增益交越频率的关系
10.2.5闭环截止角频率与开环增益交越角频率的关系
10.3理想的系统开环频率特性

第11章较优的系统模型
11.1综合误差指标
11.2较优的Ⅰ型系统
11.3较优的Ⅱ型系统
11.4基于期望频率特性的控制器设计方法
习题

第12章控制器
12.1控制器的类型与原理
12.1.1比例控制器
12.1.2积分控制器
12.1.3比例-积分控制器
12.1.4相位滞后校正器
12.1.5比例-微分控制器
12.1.6相位超前校正器
12.1.7比例-积分-微分控制器
12.2控制器参数的设定方法
12.2.1比例控制器
12.2.2PI控制器
12.2.3PD和相位超前校正器
12.2.4PID控制参数的设定
12.2.5PID控制参数的实验调整方法
12.3控制器的实现
习题

第13章根轨迹法
13.1根轨迹
13.2根轨迹规则
13.3控制器零极点的配置方法
13.4参数根轨迹方法
习题

第14章控制系统的其他构型
14.1二自由度控制结构
14.2输入的前馈控制
14.3干扰的前馈补偿
14.3.1干扰-偏差的频率响应
14.3.2干扰-偏差瞬态响应
14.3.3干扰前馈补偿结构
习题

第15章几个控制系统实例
15.1自动增益控制
15.2运算放大电路
15.3锁相环
15.4自激振荡系统
15.5倒立摆
15.6永磁直流电动机伺服系统
15.6.1永磁直流电动机的传递函数
15.6.2电流环
15.6.3速度环
15.6.4位置环
习题

第16章数字控制系统概述
16.1数字控制系统的结构
16.2采样
16.3零阶保持器
16.4数字控制系统中的信号及信号的延迟

第17章z变换
17.1差分方程
17.2z变换
17.2.1定义
17.2.2几种离散时间序列的z变换
17.2.3z变换的性质和定理
17.3离散传递函数
17.4s平面与z平面的映射关系
17.5z平面极点位置与瞬态响应特性的关系
习题

第18章数字控制器的连续-离散设计方法
18.1前向、后向差分法
18.2双线性变换法
18.3零极点匹配法
18.4各方法的映射偏差
18.5双线性变换法的频率特性校正
习题

附录 拉普拉斯变换表和z变换表
参考文献