自动控制原理(第2版高等院校精品课程系列教材)

“十二五”江苏省高等学校重点教材 江苏省高等学校精品教材 经典畅销书

本书主要面向教学研究型大学自动化类学生，同时为适应不同专业和不同层次教学的需要，各章所述的基本分析方法尽可能做到相对独立，以便使用者灵活选择。全书从适应教学研究型大学的角度出发，以经典控制理论为主，较系统地介绍了自动控制理论的基本内容，着重于基本概念、基本理论和基本分析方法及典型应用。全书共分8章，包括：自动控制系统概论、控制系统的数学模型、时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、控制系统的校正、非线性控制系统、离散控制系统等。本书内容新、实用性强、重点突出、叙述深入浅出、文字简明流畅。书中除有一般性的例题外和习题外，另有一实例贯穿教材始终，每章还附有综合性的例题精解以及MATLAB在控制系统分析和设计方面的应用。每章都设有导读和小结，便于学生学习和总结。本书可作为普通高等工科学校自动化、电气工程及其自动化、机械制造及自动化、测控技术与仪器以及系统工程、电力、冶金等专业的“自动控制原理”课程(48-72学时)的教材，也可作为从事自动化类各种专业的工程技术人员自学参考用书。

编者目录 前言 第1章引论1 11自动控制系统概述1 111自动控制系统的一般概念1 112开环控制2 113闭环控制3 114闭环控制系统的基本组成5 115自动控制理论的发展5 12自动控制系统的类型6 121按信号流向划分6 122按输入信号变化规律划分6 123线性系统和非线性系统6 124定常系统和时变系统7 125连续系统和离散系统7 126单输入单输出系统与多输入 多输出系统8 13控制系统性能的基本要求和 本课程的主要任务8 131控制系统性能的基本要求8 132本课程的主要任务9 14自动控制系统实例*10 141磁盘驱动读取系统10 142烘烤炉温度控制系统10 143传动控制系统11 本章小结12 思考题12 习题12 第2章控制系统的数学模型14 21线性系统的时间域数学模型—— 微分方程14 211列写系统微分方程的一般方法14 212线性系统的特点16 213线性定常系统微分方程的求解16 214运动的模态*17 22非线性数学模型的线性化*18 23线性系统的复数域数学模型—— 传递函数19 231传递函数的定义19 232传递函数的基本性质20 233传递函数的常用表达形式20 234典型环节的传递函数21 24控制系统的结构图22 241结构图的组成和绘制23 242结构图的等效变换和简化25 25信号流图和梅森增益公式31 251信号流图的组成及性质31 252根据微分方程绘制信号流图32 253根据系统结构图绘制信号流图32 254梅森增益公式32 26MATLAB中数学模型的表示*35 261传递函数35 262控制系统的结构图模型35 263控制系统的零极点模型36 本章小结36 思考题36 习题36 MATLAB实践与拓展题*39 第3章控制系统的时域分析法40 31系统的时域响应及其性能 指标40 311典型输入信号40 312时域响应过程43 313性能指标43 32一阶系统的时域响应44 321一阶系统的数学模型和结构图44 322一阶系统的单位阶跃响应45 323一阶系统的单位脉冲响应46 324一阶系统的单位斜坡响应46 33二阶系统的时域响应47 331二阶系统的数学模型和结构图47 332二阶系统的单位阶跃响应48 333二阶系统阶跃响应的性能指标52 34高阶系统的时域响应54 341高阶系统的时域响应分析54 342闭环主导极点55 35线性系统的稳定性分析56 351稳定性的概念及定义56 352线性定常系统稳定的充分必要 条件57 353线性系统的代数判据——劳斯 稳定判据58 354控制系统的相对稳定性62 36控制系统的稳态误差63 361关于稳态误差的基本概念63 362给定信号作用下的稳态误差 （静态误差系数法）64 363扰动信号作用下的稳态误差68 364提高系统控制精度的措施71 37MATLAB在时域分析中的 应用71 371用MATLAB求系统的时域响应71 372任意函数作用下系统的响应73 373LTI观测器74 374Simulink中的时域响应分析 举例76 本章小结79 思考题79 习题79 MATLAB实践与拓展题*82 第4章控制系统的根轨迹分析法83 41根轨迹的基本概念83 411根轨迹的定义83 412根轨迹方程及其幅值和相角 条件84 42根轨迹绘制的基本规则85 421绘制根轨迹的基本规则86 422根轨迹绘制例题97 43广义根轨迹100 431参量根轨迹101 432零度根轨迹103 44控制系统的根轨迹分析法106 441根轨迹与稳定性分析106 442根轨迹与动态性能分析107 443增加开环零、极点对控制系统 性能的影响108 444设计示例：磁盘驱动读取系统111 45MATLAB在根轨迹绘制中的 应用*112 本章小结114 思考题114 习题114 MATLAB实践与拓展题*116 第5章控制系统的频域分析118 51频率特性118 511频率特性的基本概念118 512频率特性的求取122 513频率特性的图示法123 52典型环节的频率特性124 521比例环节124 522积分环节125 523纯微分环节125 524惯性环节126 525一阶微分环节128 526振荡环节128 527二阶微分环节131 528延迟环节131 53控制系统的开环频率特性132 531开环奈氏图132 532开环Bode图135 533最小相位系统和非最小相位 系统137 534延迟系统138 535传递函数的实验法确定138 54奈奎斯特稳定判据141 541引言141 542幅角原理142 543奈氏判据144 544奈氏判据中N的简易判断方法146 55稳定裕量147 551相对稳定性147 552两个重要频率148 553两个稳定裕量指标149 554稳定裕量在Bode图中的表示151 555相对稳定性与对数幅频特性曲线 中频段的关系151 556稳定裕量指标的求解152 56频率特性与系统性能的关系154 561开环对数频率特性曲线与系统 性能的关系154 562开环频域指标与闭环时域指标的 关系156 563开环频域指标与闭环频域指标的 关系157 57例题精解*159 58MATLAB频域特性分析*163 581用MATLAB绘制奈氏图163 582用MATLAB绘制Bode图164 本章小结166 思考题166 习题167 MATLAB实践与拓展题*171 第6章控制系统的校正173 61校正的基本概念和方法173 611校正的基本概念173 612常用的校正方法174 613校正的性能指标175 614校正装置及校正目标176 62串联超前校正177 621超前校正装置及特点177 622超前校正装置的设计179 63串联滞后校正182 631滞后校正装置及特点182 632滞后校正装置的设计183 64串联滞后超前校正187 641滞后超前校正装置及特点187 642滞后超前校正装置的设计188 65PID控制器190 651比例积分(PI)控制器191 652比例微分(PD)控制器191 653比例积分微分(PID) 控制器192 654PID控制器的实现194 66期望频率特性法校正194 661期望开环对数幅频特性曲线的 绘制195 662期望特性法串联校正196 67反馈校正198 671反馈校正的原理198 672反馈校正的设计199 673反馈校正的其他应用201 68复合校正202 681复合校正的基本概念202 682按扰动补偿的复合校正203 683按输入补偿的复合校正204 69例题精解*205 610基于MATLAB和Simulink的 系统校正*208 6101相位超前校正209 6102相位滞后校正211 6103利用Simulink工具箱实现系统 校正213 本章小结216 思考题217 习题219 MATLAB实践与拓展题*222 第7章非线性系统分析224 71引言224 72典型非线性特性225 721常见的几种典型非线性特性225 722非线性系统的特征228 723非线性特性的应用230 724非线性系统的分析方法231 73描述函数法232 731描述函数的定义及求法232 732典型非线性特性的描述函数234 733非线性系统的稳定性分析240 734自激振荡的分析与计算241 74相平面法244 741相平面法的基本概念244 742相轨迹图的绘制245 743奇点和奇线249 744用相平面法分析非线性系统253 75MATLAB在非线性系统分析中 的应用257 本章小结263 思考题263 习题264 MATLAB实践与拓展题*267 第8章离散控制系统268 81引言268 811离散系统的基本概念268 812离散系统的特点269 82信号的采样与复现269 821采样过程269 822采样定理270 823零阶保持器272 83z变换274 831z变换的定义274 832z变换的性质277 833z反变换280 84离散系统的数学模型282 841离散系统的数学定义282 842脉冲传递函数284 843开环系统脉冲传递函数286 844闭环系统脉冲传递函数287 85离散系统的性能分析291 851稳定性分析与判断291 852稳态误差及其计算293 853闭环极点与瞬态响应的关系295 854动态性能分析297 86MATLAB在离散系统分析中 的应用*301 本章小结303 思考题303 习题303 MATLAB实践与拓展题*306 附录A常用函数的拉氏变换表和z 变换表307 附录BMATLAB和Simulink简介308 附录C控制理论中常用术语的 中英文对照表311 参考文献322

前言 本书第1版（2010年8月，机械工业出版社出版，江苏省精品教材）是江南大学自动控制原理课程组为适应自动化专业不断发展的需求而编写的。第2版是在第1版的基础上，通过广泛听取使用本教材任课教师和学生的意见，结合专业和学科发展前沿，以及课程组多年来的教学改革成果，并参考了国内外控制理论的经典教材，经反复讨论修订而成。本次修订的主要目的在于通过结构调整和内容充实，进一步强化理论在工程实际中的应用，在叙述上更重视专业知识的拓展与应用。具体表现在以下几个方面： (1)结构模块清晰。每章由导读和小结模块、理论学习模块、自主学习和讨论探究模块、课外实践模块、复习思考题模块“五大模块”组成，既有利于教师讲解，也有益于学生学习。 (2)每章后的习题由三部分组成：以基本概念和基本理论为主的思考题、以分析和解决问题为主的计算和分析题，以及以能力提高为主的MATLAB实践与知识拓展题。多样化的习题便于学生及时总结和复习，更灵活地掌握每一章的知识点。 (3)大部分例题和习题都以实际控制系统为例，使得较为抽象的理论具体化，方便学生学习。 (4)以“磁盘驱动读取系统”作为典型应用实例，贯穿教材始终，使读者可以灵活应用控制理论，从不同的角度对同一问题进行分析和求解，提高解决实际问题的能力。 (5)增加了部分自学内容，如典型实例分析、MATLAB实践与拓展等，以右上角“*”标注。使学生在课时有限的情况下，通过自学相关知识，扩充知识视野。 (6)主要面向教学研究型大学自动化类学生，如适当增加一些内容，可适合于研究型大学学生；适当减少一些内容和数学推导，也可适合于教学型大学学生。 (7)内容叙述深入浅出、层次分明。既能让大部分学生基本掌握教学内容，也能够满足一些优秀学生深入学习的需求。 (8)名词术语全部采用全国自动化名词审定委员会公布的规范名词，并给出了本书主要专业术语的英文对照，以方便学生阅读相关的英文文献。 (9)为方便教师教学和学生自学与复习，本书配套出版《自动控制原理学习辅导和习题解答》（第2版），并向教师提供电子教案。 本书共8章，主要内容分4大部分：第一部分包括引论和线性定常连续系统的分析与综合；第二部分阐述非线性系统的基本理论和分析方法；第三部分为线性离散系统的基本理论和分析方法；第四部分为在MATLAB与Simulink支持下对控制系统的计算机辅助分析与设计，作为自学内容，设置于各章的最后一节中。 本书由江南大学潘丰教授(第1章)、徐颖秦副教授(第5、6章)任主编，熊伟丽副教授(第2、3章)、谢林柏教授(第8章)任副主编，参加编写的人员有陶洪峰副教授(第7章)、陈珺副教授(第4章、附录)和楼旭阳副教授（各章节中磁盘驱动读取系统实例部分）。全书由潘丰教授和徐颖秦副教授统稿。本书在编写的过程中，得到了上海大学邹斌教授、上海理工大学王亚刚教授、中国矿业大学伍小杰教授的指导和帮助，在此一并表示衷心的感谢！ 由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请使用本教材的教师和读者不吝指正，并提出宝贵意见。联系电子邮箱：xyqwx@163.com。