工程控制基础(第3版高等学校自动化类专业系列教材)

本书的主要任务是讲述 自动控制系统的基本原理， 帮助读者掌握实际控制系统 的分析和设计方法，增强科 技报国的家国情怀和使命担 当。内容包括系统结构图的 绘制、数学模型的建立、性 能分析与补偿设计，主要包 括系统在三域（时域、复域 、频域）中的数学模型，系 统分析的三要素（稳定性、 稳态特性和动态特性），基 于根轨迹法和频率法的系统 校正设计方法，非线性系统 及计算机控制系统的分析与 设计，等等。 本书基本概念清晰，工 程实例丰富，配有知识点自 测题和大量习题（包括一般 题、深入题、实际题和 MATLAB题），每章末尾还 介绍了MATLAB的相关应用 。 本书可作为高等学校工 科各专业，如电子信息类、 机械工程类、电气工程类、 仪器仪表类、工程物理类等 专业本科生学习控制理论的 教材，可作为“自动控制原 理”MOOC课程的配套教材 ，也可供相关领域专业技术 人员参考。

杨明，上海交通大学特聘教授，博士生导师，全国宝钢优秀教师，国家“万人计划”科技创新领军人才。长期从事无人车和智能机器人等领域的教学与研究工作，现任上海交通大学智能网联电动汽车创新中心主任、中国自动化学会教育工作委员会副主任和智能车工作委员会副主任、中国人工智能学会理事和智能机器人专业委员会副主任。近年来在国内外学术刊物上发表论文300余篇，获国家发明专利授权50余项，指导学生多次获评IEEE Intelligent Vehicle Symposium、中国智能机器人大会等国内外顶级会议优秀论文。作为负责人，先后获得上海市技术发明一等奖、上海市教学成果奖一等奖、教育部技术发明奖、霍英东教育教学奖等奖项。

第1章 绪论 1.1 引言 1.2 自动控制发展概况 1.3 自动控制系统的基木原川和组成 1.3.1 自动控制系统 1.3.2 反馈原理与优化设计 1.3.3 自动控制系统的组成 1.4 自动控制系统的分类 1.4.1 按信号的传递路径来分 1.4.2 按系统输出信号的变化规律来分 1.4.3 按系统传输信号的性质来分 1.4.4 按系统的输入输出特性来分 1.5 控制系统实例 1.5.1 内燃机的转速控制系统 1.5.2 角度随动系统 1.6 本书概貌 人民科学家——钱学森 知识点自测 习题 第2章 控制系统的数学模型 2.1 控制系统的时域数学模型——微分方程 2.1.1 系统的微分方程举例 2.1.2 非线性系统的线性化 2.2 控制系统的复域数学模型——传递函数 2.2.1 传递函数定义 2.2.2 传递函数性质 2.3 控制系统的频域数学模型——频率特性 2.4 典型环节及其传递函数 2.4.1 比例环节 2.4.2 微分环节 2.4.3 积分环节 2.4.4 惯性环节（非周期环节） 2.4.5 振荡环节 2.4.6 时间延迟环节（时滞环节） 2.5 控制系统的方框图 2.5.1 系统方框图 2.5.2 方框图的基本运算法则 2.5.3 系统常用的传递雨函数 2.5.4 方框图的简化法则 2.6 信号流图 2.6.1 几个定义 2.6.2 信号流图的性质及运算法则 2.6.3 信号流图与方框图之间等效关系 2.6.4 梅森公式 2.7 物理元件和系统的数学模型 2.7.1 机械系统 2.7.2 电气系统 2.7.3 热力系统 2.7.4 液位系统 2.7.5 典型位置随动系统的数学模型 2.8 MATLAB在系统数学模型转换中的应用 2.8.1 MATLAB中传递函数的分式多项式的表示 2.8.2 传递函数的零极点表示 2.8.3 用MATLAB计算系统的传递函数 2.8.4 MATLAB中多项式与因式分解形式的互相转换 小结 中国空间站简介 知识点自测 习题 第3章 自动控制系统的时域分析 3.1 典型测试信号 3.1.1 阶跃信号 3.1.2 速度（斜坡）信号 3.1.3 加速度（抛物线）信号 3.1.4 脉冲信号 3.1.5 正弦信号 3.2 控制系统的稳定性分析 3.2.1 稳定性的基本概念 3.2.2 线性定常系统稳定的充分必要条件 3.2.3 劳斯稳定性判据 3.2.4 用MATLAB分析系统的稳定性 3.3 控制系统的稳态特性——稳态误差分析 3.3.1 稳态误差和控制系统类型 3.3.2 稳态误差系数和稳态误差计算 3.3.3 几点结论 3.4 控制系统的动态特性——动态响应分析 3.4.1 控制系统动态响应指标 3.4.2 一阶系统的动态响应 3.4.3 二阶系统动态响应的描述参数 3.4.4 二阶系统的单位阶跃响应 3.4.5 二阶系统的动态响应指标 3.4.6 二阶系统的参数优化 3.5 高阶系统的动态响应 3.5.1 高阶系统动态响应的特点 3.5.2 主导极点和偶极子 3.6 利用MATLAB分析系统性能 3.6.1 step命令 3.6.2 impulse命令 3.6.3 Isim命令 小结 数学家——爱德华·约翰·劳斯 知识点自测 习题 第4章 根轨迹法 4.1 闭环系统的根轨迹 4.1.1 根轨迹的定义 4.1.2 根轨迹的幅值条件和相角条件 4.2 绘制根轨迹的基本规则 4.2.1 绘制根轨迹的基本规则和步骤 4.2.2 开环零、极点的变化对根轨迹的影响 4.3 根轨迹在系统参数优化中的应用 4.3.1 用根轨迹分析闭环主导极点 4.3.2 用根轨迹优化系统的主导极点 4.4 用MATLAB绘制根轨迹 小结 根轨迹法的创始人——沃尔特·理查德·伊文思 知识点自测 习题 第5章 线性系统的频域分析——频率响应法 5.1 频率特性 5.1.1 线性定常系统对正弦输入信号的响应 5.1.2 系统的频率特性 5.1.3 频率特性的性质 5.2 频率特性图 5.2.1 频率特性的极坐标图（奈氏图） 5.2.2 典型环节的奈氏图 5.2.3 对数频率特性图（伯德图） 5.2.4 基本因子的伯德图 5.2.5 控制系统的伯德图 5.2.6 最小相位系统和非最小相位系统 5.2.7 对数幅相特性图 5.2.8 用MATLAB作频率特性图 5.3 频域中的稳定性判据 5.3.1 引言 5.3.2 幅角原理 5.3.3 奈氏稳定性判据 5.3.4 伯德图的奈氏判据 5.4 根据伯德图求系统传递函数 5.5 基于频率特性的性能分析与优化设计 5.5.1 开环频率特性的性能指标 5.5.2 稳定裕量 5.5.3 开环频域指标与时域性能指标的关系 5.5.4 基于闭环频率特性的系统性能分析 5.5.5 从尼科尔斯图求闭环系统的频域指标 5.5.6 用MATLAB分析系统的动态性能 小结 现代控制理论与电子通信先驱——亨德里克·韦德·伯德 知识点自测 习题