自动控制原理

第1章  自动控制的基本概念 1
1.1  引言 1
1.2  开环控制系统与闭环控制系统 2
1.2.1  开环控制系统 2
1.2.2  闭环控制系统 3
1.2.3  闭环控制系统的组成 4
1.3  自动控制系统的分类 5
1.3.1  按输入信号形式分类 5
1.3.2  按系统中信号传递的性质分类 5
1.3.3  按系统的输入/输出特性分类 6
1.4  控制系统举例 6
1.4.1  蒸汽机转速控制系统 6
1.4.2  温度控制系统 7
1.4.3  位置随动系统 8
1.4.4  电冰箱制冷系统 9
1.5  对自动控制系统的基本要求 9
小结 10
习题 10
第2章  控制系统的数学模型 13
2.1  引言 13
2.1.1  系统数学模型的定义及特点 13
2.1.2  系统数学模型的类型和建模方法 13
2.2  建立系统的时域数学模型 14
2.2.1  电路系统举例 14
2.2.2  机械力学系统举例 15
2.2.3  机电系统举例 17
2.2.4  流体系统的建模 18
2.2.5  复杂系统举例 18
2.2.6  微分方程建立步骤 20
2.3  非线性系统的线性化 20
2.3.1  小偏差线性化概念 21
2.3.2  线性化方法 21
2.4  微分方程求解 23
2.5  建立系统的复域数学模型 24
2.5.1  传递函数的定义 24
2.5.2  传递函数的性质 26
2.5.3  零点、极点和传递系数 26
2.6  系统的典型环节及传递函数 27
2.6.1  比例环节 28
2.6.2  惯性环节 28
2.6.3  积分环节 29
2.6.4  微分环节 30
2.6.5  振荡环节 30
2.6.6  延时环节 30
2.7  系统方块图 31
2.7.1  方块图的定义 31
2.7.2  方块图的组成和绘制 32
2.7.3  方块图等效变换和简化 35
2.7.4  方块图化简举例 38
2.8  系统信号流图 40
2.8.1  信号流图的基本概念 40
2.8.2  信号流图的画法及简化规则 41
2.8.3  梅逊增益公式 43
2.9  利用MATLAB求解系统的传递函数 45
2.9.1  num和den函数 45
2.9.2  典型化简函数 46
小结 48
习题 48
第3章  线性系统的时域分析法 52
3.1  引言 52
3.1.1  典型输入信号 52
3.1.2  典型时间响应 54
3.1.3  控制系统的性能指标 54
3.2  一阶系统的时域分析 56
3.2.1  一阶系统的数学模型 56
3.2.2  一阶系统的单位阶跃响应 56
3.2.3  一阶系统的单位斜坡响应 57
3.2.4  一阶系统的单位脉冲响应 58
3.2.5  一阶系统的单位加速度响应 59
3.2.6  线性定常系统的重要特性 59
3.3  二阶系统的时域分析 61
3.3.1  二阶系统的数学模型 61
3.3.2  二阶系统的单位阶跃响应 62
3.3.3  欠阻尼二阶系统的动态性能指标 64
3.3.4  二阶系统动态性能的改善 68
3.4  高阶系统的时域分析 72
3.5  线性系统的稳定性分析 74
3.5.1  线性系统稳定性的概念和稳定的充分必要条件 74
3.5.2  代数稳定判据 75
3.6  线性系统的稳态误差分析 79
3.6.1  误差与稳态误差的定义 79
3.6.2  稳态误差的分析与计算 80
3.6.3  减小稳态误差的方法 85
3.7  用MATLAB进行系统时域分析 86
3.7.1  用MATLAB求系统的输出响应 86
3.7.2  用MATLAB求系统的动态性能指标 88
3.7.3  用MATLAB研究系统的稳定性 89
3.7.4  用MATLAB求静态误差系数及系统的稳态误差 89
小结 90
习题 91
第4章  根轨迹法 95
4.1  根轨迹的基本概念 95
4.2  根轨迹的幅值条件和幅角条件 98
4.3  绘制根轨迹的基本法则 99
4.4  零度根轨迹 104
4.5  根轨迹绘制举例 105
4.6  参数根轨迹 107
4.7  控制系统的根轨迹法分析 108
4.7.1  开环零、极点对根轨迹的影响 108
4.7.2  由根轨迹分析控制系统 110
4.8  利用MATLAB绘制根轨迹及分析系统 111
小结 116
习题 117
第5章  线性系统的频域分析法 120
5.1  引言 120
5.2  频率特性 120
5.2.1  频率特性的基本概念 120
5.2.2  频率特性的图形表示法 122
5.3  对数频率特性图（伯德图） 122
5.3.1  对数频率特性图及其特点 122
5.3.2  典型环节的对数频率特性图 123
5.3.3  系统开环对数频率特性的绘制 127
5.3.4  最小相位系统和非最小相位系统 131
5.3.5  确定传递函数的频域实验方法 132
5.4  极坐标图（奈奎斯特图） 138
5.4.1  典型环节的极坐标图 138
5.4.2  系统开环极坐标图的绘制 141
5.5  奈奎斯特稳定判据 144
5.5.1  幅角原理 145
5.5.2  奈奎斯特稳定判据 146
5.6  控制系统的相对稳定性 153
5.7  闭环系统频域性能指标 157
5.7.1  系统闭环频率特性 157
5.7.2  频域性能指标与时域指标的关系 157
5.8  用MATLAB进行系统频域分析 160
5.8.1  用MATLAB绘制伯德图 160
5.8.2  用MATLAB绘制极坐标图 162
5.8.3  用MATLAB求系统的稳定裕度 164
小结 165
习题 166
第6章  线性系统的设计方法 170
6.1  引言 170
6.1.1  性能指标 170
6.1.2  校正方式 171
6.2  校正装置 172
6.2.1  超前校正网络及其特性 172
6.2.2  滞后校正网络及其特性 174
6.2.3  滞后-超前校正网络及其特性 175
6.3  串联校正 176
6.3.1  基于频率响应法的串联校正 177
6.3.2  基于根轨迹法的串联校正 183
6.4  反馈校正 190
6.4.1  比例负反馈 190
6.4.2  微分负反馈 191
6.4.3  负反馈 191
6.5  复合校正 194
6.5.1  按扰动补偿的复合控制系统 194
6.5.2  按输入补偿的复合控制系统 195
6.6  PID控制器 197
6.6.1  比例微分（PD）控制 197
6.6.2  比例积分（PI）控制 198
6.6.3  比例积分微分（PID）控制 198
小结 201
习题 202
第7章  线性离散系统的分析 207
7.1  离散系统基本概念及其应用 207
7.1.1  采样控制系统 207
7.1.2  采样系统的典型结构 208
7.1.3  数字控制系统 209
7.1.4  数字控制系统的典型结构 210
7.2  采样器和保持器 211
7.2.1  采样器 211
7.2.2  采样定理 212
7.2.3  保持器 213
7.3  z变换 214
7.3.1  z变换定义 214
7.3.2  求z变换的方法 215
7.3.3  z变换的基本性质 217
7.3.4  z反变换 219
7.4  脉冲传递函数 220
7.4.1  脉冲传递函数的定义及求法 220
7.4.2  开环采样系统的脉冲传递函数 221
7.4.3  闭环采样系统的脉冲传递函数 223
7.5  离散系统的稳定性分析 228
7.5.1  时域中的离散系统稳定的充分必要条件 228
7.5.2  s平面与z平面的映射关系 229
7.5.3  z域中离散系统稳定的充分必要条件 229
7.5.4  离散系统的劳斯稳定判据 230
7.5.5  采样周期与开环增益对采样系统稳定性的影响 232
7.6  离散系统的稳态误差 233
7.7  离散系统的动态性能分析 236
7.8  MATLAB在离散控制系统中的应用 239
7.8.1  连续系统的离散化 239
7.8.2  求离散系统的响应 240
7.8.3  采样系统的稳定性分析 240
小结 241
习题 242
第8章  非线性系统分析 245
8.1  非线性系统的一般概念 245
8.1.1  非线性系统的特点 245
8.1.2  典型非线性及对系统性能的影响 248
8.2  描述函数法 251
8.2.1  非线性特性的描述函数 251
8.2.2  非线性控制系统的描述函数分析 255
8.2.3  用MATLAB的Simulink仿真分析非线性控制系统 258
8.3  相平面法 259
8.3.1  相轨迹特征及性质 259
8.3.2  相轨迹的绘制 265
8.3.3  利用MATLAB绘制相轨迹图 267
8.4  非线性系统的相平面分析 268
8.4.1  用相平面法分析非线性系统 268
8.4.2  用非线性特性改善系统性能 271
小结 273
习题 274
参考文献 276