自动控制原理（本）

本书是根据全国高等教育自学考试指导委员会最新制定的《2024年7月（本）自学考试大纲》，为参加高等教育自学考试的考生编写的教材。 编写过程中，本书参考了国内外目前比较经典的教材，并结合编者多年来从事相关课程的教学心得，以及编写教材的经验和体会，选材适当、叙述简洁且针对要点，符合自学考试的特点与要求。全书共分8章，内容有自动控制系统概述、线性系统的数学模型、线性系统的稳定性和稳态特性分析、线性系统的动态时域分析、线性系统的频域分析、线性系统的校正、非线性系统的分析、采样控制系统的分析。 为了便于自学，各章由浅入深，详细讲解相关的概念和知识点，配合适量的例题辅助对重要知识点内容的理解及掌握。各章的最后配以适量的思考题供考生练习使用，并提供配套的思考题解答，旨在给学习这门课程的考生以启发，以达到掌握相关知识和开阔视野的目的。本书还提供了基于MATLAB的控制系统数字仿真实践，以加深对基础知识的理解和促进应用能力的提升，也有助于培养考生分析问题、解决问题的能力。 本书除了可作为全国高等教育自学考试相关专业的教材外，还可作为各类普通高等院校工科相关专业的教材。

全国高等教育自学考试指导委员会

第1章自动控制系统概述27 1.1引言27 1.2开环控制系统和闭环控制系统29 1.2.1开环控制系统29 1.2.2闭环控制系统30 1.3闭环自动控制系统的基本组成32 1.4自动控制系统的分类33 1.5控制系统的基本要求34 1.6控制系统数字仿真实践的必要性34 本章小结36 思考题36 第2章线性系统的数学模型37 2.1引言37 2.2非线性微分方程的线性化39 2.3传递函数41 2.3.1传递函数的定义41 2.3.2典型环节的传递函数45 2.4控制系统结构图及其化简方法48 2.4.1结构图的组成要素48 2.4.2环节的连接方式48 2.4.3结构图的变换和化简50 2.5信号流程图54 2.5.1基本概念与常用术语54 2.5.2梅逊公式及其应用56 2.6基于MATLAB的控制系统仿真模型58 本章小结62 思考题62 第3章线性系统的稳定性和稳态 特性分析65 3.1典型输入信号65 3.2控制系统的稳定性分析67 3.2.1稳定性的基本概念67 3.2.2线性定常系统的稳定性分析68 3.3劳斯稳定判据69 3.4控制系统的稳态误差分析73 3.5MATLAB在线性系统稳定性及稳态 性能分析中的应用79 本章小结87 思考题87 第4章线性系统的动态时域分析89 4.1控制系统时域响应的性能指标89 4.1.1动态性能指标89 4.1.2稳态性能指标90 4.2一阶系统的动态响应90 4.3二阶系统的动态响应93 4.3.1典型二阶系统的数学模型93 4.3.2二阶系统的单位阶跃响应94 4.3.3欠阻尼二阶系统的动态性能指标 分析96 4.3.4二阶系统的单位脉冲响应100 4.3.5传递函数含有零点的欠阻尼二阶 系统动态性能101 4.4高阶系统的动态响应102 4.5基于MATLAB的线性控制系统动态时 域分析104 本章小结111 思考题112 第5章线性系统的频域分析114 5.1频率特性的基本概念114 5.1.1频率特性114 5.1.2频率特性的图形表示115 5.2典型环节的频率特性117 5.3系统开环频率特性图124 5.3.1系统开环频率特性极坐标图 绘制124 5.3.2系统开环频率特性伯德图 绘制126 5.3.3最小相位系统129 5.4频率域稳定性判据131 5.4.1开环极点、闭环极点与辅助 方程零极点的关系131 5.4.2辐角原理132 5.4.3奈奎斯特稳定判据134 5.4.4系统开环传递函数串联积分环节 的情况136 5.4.5伯德图判别闭环系统稳定性137 5.5稳定裕度139 5.6闭环系统频率特性141 5.7基于MATLAB的线性控制系统频域 分析143 本章小结148 思考题148 第6章线性系统的校正151 6.1校正的基本概念151 6.2线性系统的基本控制规律153 6.3常用串联校正及特性156 6.3.1相位超前校正156 6.3.2串联相位超前校正158 6.3.3相位滞后校正160 6.3.4串联相位滞后校正162 6.3.5相位滞后-超前校正164 6.4期望特性串联校正166 6.5MATLAB在线性控制系统校正中的 应用167 本章小结173 思考题173 第7章非线性系统的分析175 7.1非线性系统的基本概念175 7.2常见典型非线性特性177 7.3描述函数法179 7.3.1描述函数的基本概念179 7.3.2常见非线性特性的描述函数180 7.3.3描述函数法分析非线性系统184 7.4相平面法188 7.5基于MATLAB的非线性系统分析192 本章小结197 思考题198 第8章采样控制系统的分析200 8.1采样控制系统的基本概念200 8.2采样过程和采样定理201 8.2.1采样过程201 8.2.2采样定理202 8.2.3保持器203 8.3采样控制系统的数学基础205 8.3.1z变换205 8.3.2z反变换208 8.3.3差分方程209 8.4脉冲传递函数211 8.4.1基本概念211 8.4.2采样控制系统的开环脉冲传递 函数212 8.4.3采样控制系统的闭环脉冲传递 函数214 8.5线性采样系统的稳定性分析215 8.5.1采样控制系统的稳定条件216 8.5.2线性采样控制系统的稳定条件217 8.6基于MATLAB的采样控制系统 分析218 本章小结221 思考题222 参考文献223 后记224