自动控制原理

本书特点：1、内容编排模块化，满足多种需求；2、贯穿工程教育思想，学以致用；3、适应MOOC课程需要，构建自主学习环境。

本书系统地阐述了自动控制理论的基本概念、原理和分析方法，以及控制系统的时域与频域综合校正。全书共分9章，包括3个模块。靠前～5章为靠前模块，主要阐述自动控制系统概述，系统建模，基于系统时间响应的稳定性、动态特性和稳态特性分析，根轨迹分析法及时域综合。第6～7章为第2模块，包括频域分析法和系统综合校正，主要讨论频率特性、系统校正概述及基于频域的系统校正设计。第8～9章为第3模块，阐述非线性系统的相平面和描述函数分析及线性离散时间系统的建模和分析。附录A和附录B分别为拉氏变换概述和各章的精选习题详解。本书理论联系实际，可作为高等院校自动化、测控技术与仪器及相关专业的教材，也可供有关科技人员参考。本书电子课件可通过http://www.tupwk.com.cn网站免费下载。

章自动控制系统概述1 11自动控制的基本原理2111自动控制问题的引出2112控制方式5 12自动控制系统的基本组成10 13自动控制系统实例11131函数记录仪11132磁盘驱动读取系统12133导弹发射架方位控制13134机器人13 14自动控制系统的分类14141按给定输入信号特征 分类14142按系统模型的数学特性 分类15143其他类型的分类16 15自动控制系统的基本要求16151稳定性16152快速性17153准确性17 16控制工程设计概论18161工程设计18162控制系统设计18163系统分析与设计工具 MATLAB19 17自动控制理论的发展概况20171早期的自动控制21172经典控制理论21173现代控制理论22 18小结22 19习题23 第2章控制系统的数学模型27 21控制系统的时域数学模型27211线性元件的微分方程28212控制系统微分方程的 建立33213线性系统的基本特性35214非线性系统的小偏差 线性化35 22线性系统的传递函数37221传递函数的定义和性质37222典型元部件的传递函数42 23结构图及其等效变换48231结构图的组成与绘制48232结构图的等效变换51 24信号流图及梅逊公式58241信号流图的组成及性质58242信号流图的绘制59243梅逊增益公式61 25闭环系统传递函数64 26控制系统建模的MATLAB 方法65 27数学模型的实验测定法67 28小结68 29习题69 第3章时域分析法73 31控制系统时间响应的性能 指标73311典型输入信号73312时间响应过程75313时域性能指标75 32一阶系统时域分析77321数学模型78322单位阶跃响应78323单位脉冲响应79324单位斜坡响应80 33二阶系统时域分析82331数学模型82332单位阶跃响应83333动态性能指标计算87334改善二阶系统性能的常用 方法95 34高阶系统时域分析101341高阶系统的阶跃响应101342闭环主导极点和动态性能 分析105 35稳定性分析107351稳定的概念和定义107352稳定的充要条件108353稳定的代数判据109 36稳态误差分析115361误差与稳态误差116362给定信号作用下的稳态误差 计算117363扰动作用下的稳态误差 计算121364提高控制精度的措施123 37小结126 38习题127 第4章根轨迹分析法133 41根轨迹的基本概念133411根轨迹图133412闭环零极点与开环零极点的 关系135413根轨迹方程137 42根轨迹的绘制法则138 43其他形式的根轨迹151431参数根轨迹151432零度根轨迹153 44基于MATLAB的根轨迹图 绘制156 45根轨迹分析158451闭环零极点与时间 响应158452系统性能的定性分析159 46小结165 47习题166 第5章基本控制律与机器人关节角 控制分析170 51基本控制律分析171511比例(Ｐ)控制171512比例微分(PD)控制171513比例积分(PI)控制172514比例积分微分(PID) 控制173 52线性系统时域仿真的MATLAB 方法176521基于脚本文件的仿真176522基于模型文件的仿真178 53PID控制器的参数整定182531衰减曲线法182532稳定边界法183533其他方法183 54机器人关节角控制系统设计 与分析184541某ARMⅡ电动肩关节角 控制系统185542PID控制律设计186543斜坡型输入指令响应189 55小结190 56习题191 第6章频域分析法193 61频率特性193611频率特性的基本概念193612频率特性的图形表示196 62典型环节的频率特性199621比例环节199622积分环节和微分环节199623惯性环节和一阶微分 环节201624振荡环节与二阶微分 环节203625延迟环节206 目录63开环系统频率特性图 绘制207631开环伯德图的绘制207632开环极坐标图的近似 绘制211633最小相位系统214 64频域稳定性判据217641幅角原理217642奈奎斯特稳定性判据219 65稳定裕度225651相位裕度225652幅值裕度226 66闭环频率特性228 67基于MATLAB的频率特性 图绘制229 68频率特性分析232681三频段的概念232682开环频域指标与时域指标的 关系233683闭环频域指标与时域指标的 关系235 69小结237 610习题238 第7章控制系统的综合与校正242 71系统校正的基本概念242711性能指标243712校正方式243713校正设计方法245 72常用串联校正装置及其 特性246721超前校正网络246722滞后校正网络249723滞后超前校正 网络252 73串联校正的频域法设计254731串联超前校正设计254732串联滞后校正设计260733串联滞后超前设计265734期望开环对数幅频特性 设计法268 74反馈校正与复合校正269741反馈校正的原理与 特点269742复合校正272 75小结275 76习题275 第8章非线性系统279 81控制系统的非线性特性279811典型的非线性特性279812非线性系统的若干 特征281813非线性控制系统的分析与 设计方法283 82描述函数法283821描述函数定义283822典型非线性特性的描述 函数285823非线性系统描述函数法 分析288 83相平面法291831相平面法的基本概念291832相平面图的绘制292833相轨迹的基本特性294 834非线性系统的相平面法 分析296 84非线性系统分析的MATLAB 方法299 85小结301 86习题302 第9章离散控制系统304 91离散控制系统基本 概念304911采样控制系统304912数字控制系统305913离散控制系统的特点306 92信号采样和复现306921信号采样306922采样信号频谱分析307923香农采样定理308924信号复现308 93z变换及反变换310931z变换定义310932z变换的求法311933z变换的性质312934z反变换313 94离散系统的数学模型315941差分方程315942脉冲传递函数316 95离散控制系统性能分析323951离散控制系统的 稳定性323952离散控制系统的稳态 误差327953离散系统动态性能330 96线性离散系统分析的MATLAB 方法332 97小结335 98习题335 附录A拉氏变换概述337 A1拉普拉斯变换的定义337 A2几种典型函数的拉氏 变换337A21单位阶跃函数1(t)的 拉氏变换337A22指数函数f(t)=e－at的 拉氏变换338A23正弦函数与余弦函数的拉氏 变换338A24单位脉冲函数δ(t)的拉氏 变换339A25单位斜坡函数的拉氏 变换339A26单位加速度函数的拉氏 变换340 A3拉氏变换的主要定理340A31叠加定理341A32微分定理341A33积分定理341A34复数位移定理342A35终值定理342 A4拉普拉斯反变换344 A5应用拉氏变换解线性微分 方程347 附录B精选习题详解349 B1章习题349 B2第2章习题350 B3第3章习题352 B4第4章习题355 B5第6章习题357 B6第7章习题361 B7第8章习题362 B8第9章习题365 参考文献368

自动控制原理前言前言近年来，由于市场对自动化及智能装备的需求旺盛，关注和学习自动控制原理或控制工程基础的读者也不断增加。作者在长期的教学实践和教学改革的基础上，立足于认知、发现、探寻、创新的学习方法，汲取国内外有关本领域的教学和科研成果，并考虑MOOC课程特点，统一规划，精心组织编写了本书。本书系统地阐述了自动控制理论的基本概念、原理和分析方法及控制系统的时域与频域综合校正。全书共分9章，包括3个模块。第1～5章为第1模块，是控制理论的基本内容，主要讨论自动控制系统概述、系统建模、时域分析法、根轨迹分析法及时域综合。第6～7章为第2模块，包括频域分析方法与系统综合校正，主要讨论频率特性、系统校正概述及基于频域的系统校正设计。第8～9章为第3模块，包括非线性系统的相平面和描述函数分析及线性离散时间系统的建模和分析。本科自动化专业建议采用所有内容，可安排54～72学时；非自动化专业建议采用除第4章外的第1模块和（或）第2模块的部分内容，可安排36学时。本书在内容的组织上强调工程背景，注重理论联系实际，用直观和感性的物理概念、工程实例以及MATLAB仿真结果，使读者充分理解和掌握控制系统的基本规律和系统综合设计方法，其特点体现在以下几个方面。1.内容编排模块化，满足多种需求本书将整个自动控制理论的基本知识分为3个模块：时域分析与综合、频域分析与综合校正、非线性与离散系统分析。各模块内容相对独立，逐步递进，可满足不同专业的需求。例如自动化专业可选择全部内容，其他非自动化专业可选择除第4章外的第1模块和（或）第2模块的部分内容。由于在第1模块增加了1个章节专门讨论了PID控制律的解析分析、MATLAB时域仿真、PID参数整定及实际实例PID设计的一般步骤，使第1模块时域分析与综合内容完整，不仅给少学时的控制类课程学习带来了方便，同时还可提高自动化专业学生的综合应用能力。2.贯穿工程教育思想，学以致用本书借鉴工程教育思想，使学生在认知、发现、探寻的实践过程中学习新知识。在书中的多个章节，例如高阶系统主导极点、稳定性、频率特性等均以观察仿真结果为起点，引导读者认知、发现问题（规律），再配合解析推导，得到现象的本质。在编写过程中，以应用为导向，注重理论联系实际。例如在系统综合中，不仅在时域对PID进行解析分析，以运动控制中的点到点控制方式讨论PID控制特点，同时在频域系统综合中将PID与串联校正的超前、滞后及滞后超前设计进行比较，使读者从不同方面理解这两种类型控制器的实质，同时更易理解实际工程中的带滤波器的PID控制。以某型实际机器人肩关节角控制为例，讨论PID控制器的设计步骤和具体过程，并应用高阶系统简化、多参数的根轨迹分析、PID调参的策略等来解决实际问题。另外在实例中还涉及实际系统的输入指令设计及饱和限制等，使读者可综合应用所学知识和方法解决所遇到的问题。3.适应MOOC课程需要，构建自主学习环境为了更好地适应自主学习，本书各章末尾设有小结，概括该章的知识体系、重点和难点。同时设计了丰富的习题，包括问答题、基本习题和综合仿真分析题，并在某些基本题后给出了参考答案，附录B给出了各章典型习题的习题详解，方便读者自行检查学习效果，为读者解惑答疑。本书不仅专门设置章节讲解MATLAB的应用方法，而且给出了书中所用MATLAB仿真的程序文本。本书第1章、第2章、第3章、第5章和附录B由郭小勤编写，第4章和第6章由潘剑飞编写，第7章和附录A由曹广忠编写，第8章和第9章由吴超编写。全书由郭小勤统一修改定稿，书中的插图由王鑫绘制。本书受到广东省精品教材项目资助，同时也是全国地方高校UOOC（优课）联盟《控制工程基础》课程的指定教材。限于作者水平，书中难免有不足之处，恳请广大读者批评指正。编者2017年5月