自动控制原理

目　　录

第1章　自动控制系统的基本概念 1
1．1　控制系统的基本形式 2
1．1．1　人工控制 2
1．1．2　自动控制 2
1．2　自动控制系统的组成 3
1．2．1　系统框图 3
1．2．2　典型反馈控制系统 4
1．3　自动控制系统的分类 5
1．3．1　按控制系统的结构分类 5
1．3．2　按给定信号的类型分类 6
1．3．3　按系统参数是否随时间
变化分类 6
1．3．4　按控制系统的动态特性分类 6
1．3．5　按信号传递的连续性分类 7
1．4　控制系统的基本要求 7
1．4．1　稳定性 8
1．4．2　动态特性 8
1．4．3　稳态特性 8
习题 9
第2章 控制系统的数学模型 10
2．1　拉普拉斯变换 11
2．1．1　拉普拉斯变换定义 11
2．1．2　拉普拉斯变换基本性质 12
2．1．3　拉普拉斯反变换 15
2．2　控制系统的微分方程 17
2．2．1　机械系统 17
2．2．2　电路系统 19
2．2．3　机电系统 19
2．3　传递函数 20
2．3．1　传递函数定义 20
2．3．2　传递函数性质 21
2．4　典型环节的传递函数 22
2．4．1　比例环节 22
2．4．2　积分环节 23
2．4．3　微分环节 24
2．4．4　惯性环节 25
2．4．5　振荡环节 25
2．4．6　延迟环节 25
2．5　控制系统的结构图 26
2．5．1　结构图组成要素及绘制方法 27
2．5．2　结构图的等效变换 28
2．6　信号流程图与梅逊公式 34
2．6．1　常用术语及其定义 35
2．6．2　信号流程图绘制方法 35
2．6．3　梅逊增益公式 37
2．6．4　用梅逊公式求传递函数 38
2．7　控制系统的传递函数 38
2．7．1　前向通路传递函数 39
2．7．2　开环传递函数 39
2．7．3　闭环传递函数 39
2．8　传递函数的MATLAB描述 42
2．8．1　有理函数模型 42
2．8．2　零极点模型 42
2．8．3　系统模型的连接和简化 43
2．8．4　有理分式模型与零极点模型的
转换 44
习题 45
第3章 控制系统的时域分析法 50
3．1　典型输入信号及时域性能指标 51
3．1．1　典型输入信号 51
3．1．2　时域性能指标 53
3．2　一阶系统的时域分析 54
3．2．1　一阶系统的单位阶跃响应 55
3．2．2　一阶系统的单位斜坡响应 56
3．2．3　一阶系统的单位脉冲响应 58
3．2．4　一阶系统的单位加速度响应 59
3．3　二阶系统的时域分析 60
3．3．1　典型的二阶系统模型 60
3．3．2　二阶系统的单位阶跃响应 60
3．3．3　二阶系统的瞬态响应指标 63
3．3．4　高阶系统的瞬态响应 67
3．4　控制系统的稳定性分析 67
3．4．1　稳定性的基本概念 67
3．4．2　线性系统稳定的充要条件 68
3．4．3　劳斯稳定性判据 69
3．4．4　MATLAB稳定性判断方法 71
3．5　稳态误差分析及计算 72
3．5．1　误差及稳态误差的定义 72
3．5．2　给定输入作用下的稳态误差
计算 73
3．5．3　扰动作用下的稳态误差计算 77
3．5．4　给定输入、扰动共同作用下的
稳态误差计算 78
3．5．5　减小稳态误差的方法及
复合控制 81
习题 83
第4章 控制系统的根轨迹法 86
4．1　根轨迹的基本概念 87
4．1．1　系统的根轨迹 87
4．1．2　根轨迹的幅值条件和相角
条件 88
4．2　绘制根轨迹的基本规则 89
4．2．1　基本规则 89
4．2．2　根轨迹绘制举例 95
4．3　参量根轨迹及系统性能的
根轨迹分析 100
4．3．1　参量根轨迹 100
4．3．2　系统性能的根轨迹分析 101
习题 104
第5章 控制系统的频域分析法 106
5．1　频率特性的基本知识 107
5．1．1　频率特性的物理概念 107
5．1．2　频率特性的定义 107
5．2　频率特性的图示 110
5．2．1　奈奎斯特图 110
5．2．2　伯德图 111
5．2．3　尼柯尔斯图 112
5．3　典型环节的频率特性 112
5．3．1　比例环节的频率特性 113
5．3．2　积分环节的频率特性 114
5．3．3　惯性环节的频率特性 115
5．3．4　振荡环节的频率特性 117
5．3．5　微分环节的频率特性 119
5．3．6　延迟环节的频率特性 120
5．4　开环系统频率特性图绘制 122
5．4．1　开环系统伯德图的绘制 122
5．4．2　最小相位系统和非最小
相位系统 126
5．5　频率域稳定性分析 127
5．5．1　奈奎斯特稳定性判据 128
5．5．2　控制系统的稳定裕量 138
5．6　开环频域指标与时域指标
之间的关系 141
5．6．1　控制系统的主要性能指标 141
5．6．2　开环频域指标与时域指标
之间的关系 141
5．7　MATLAB频域分析 145
5．7．1　线性系统的频域分析 145
5．7．2　频域分析性能指标 146
习题 150
第6章 控制系统的分析与校正 152
6．1　控制系统校正 153
6．1．1　校正的基本概念 153
6．1．2　校正的基本方式 153
6．1．3　系统校正的方法 153
6．2　串联超前校正 154
6．2．1　相位超前校正装置 154
6．2．2　相位超前校正装置的作用 156
6．2．3　校正方法 158
6．3　串联滞后校正 159
6．3．1　相位滞后校正装置 159
6．3．2　相位滞后校正装置的作用 161
6．3．3　校正方法 162
6．4　串联滞后-超前校正 163
6．4．1　相位滞后-超前校正装置 163
6．4．2　相位滞后-超前校正装置的
作用 164
6．4．3　校正方法 165
6．5　PID校正 166
6．5．1　比例积分（PI）控制器 167
6．5．2　比例微分（PD）控制器 168
6．5．3　比例积分微分（PID）
控制器 169
习题 169
第7章 离散控制系统 170
7．1　引言 171
7．2　采样系统 171
7．3　Z变换 173
7．3．1　Z变换 173
7．3．2　Z变换的基本定理 174
7．3．3　Z反变换 176
7．4　脉冲传递函数 179
7．4．1　脉冲传递函数定义 179
7．4．2　串联环节的脉冲传递函数 180
7．5　线性离散系统的脉冲传递
函数 182
7．6　线性离散系统的稳定性 185
7．6．1　S平面到Z平面的映射关系 185
7．6．2　线性离散系统稳定的充要
条件 186
7．6．3　劳斯稳定判据 187
7．7　线性离散系统的时域分析 188
7．7．1　极点在Z平面的分布与
瞬态响应 188
7．7．2　线性离散系统的时间响应 190
7．7．3　线性离散系统的稳态误差 191
习题 192
第8章 MATLAB语言及其仿真实验 195
8．1　MATLAB语言简介 196
8．1．1　MATLAB的应用基础 196
8．1．2　MATLAB函数 197
8．1．3　绘制响应曲线 198
8．1．4　MATLAB语言的联机
帮助功能 200
8．2　MATLAB语言基础实验 200
实验一　MATLAB语言平台 200
实验二　MATLAB数值运算 203
实验三　MATLAB绘图 207
实验四　MATLAB句柄绘图 211
8．3　控制理论仿真实验 213
实验五　控制系统的建模 213
实验六　控制系统的稳定性
分析实验 218
实验七　控制系统的时域分析实验 220
实验八　控制系统的根轨迹分析 221
实验九　控制系统的频域分析 221
实验十　S函数的编写及应用 222
习题 227
附录A　常用函数的拉普拉斯变换
对照表 229
附录B　常用函数的Z变换表 230
附录C　控制系统中英文对照表 231
附录D　控制系统MATLAB常用函数 236
参考文献 244