自动控制原理
作　者： 毕效辉，于春梅 著
出版时间：2014
丛编项： 普通高等教育"十二五"规划教材
内容简介
　　《自动控制原理》是一部高融合立体化教材，纸质内容与光盘内容密切配合、融为一体，较全面系统地阐述自动控制的基本分析和研究方法。全书共分8章，主要内容有：自动控制概述、线性控制系统的数学模型、时域响应分析、根轨迹分析、频率特性分析、控制系统的设计与校正、非线性控制系统分析、离散控制系统等。书中强化了工程应用，给出了较多的工程应用实例和ATLAB辅助分析、F1Ash动画演示的内容。为便于自学，各章均附有小结和丰富的例题与习题，习题给出了参考答案。
目 录
前言：
第1章绪论 1
1 .1引言 1 .1.1控制理论的发展历程 1
1.1.2自动控制系统的组成及术语 2
1.2自动控制举例 4
1.2.1 温度控制 0
1.2.2 控制 5
1.2.3 控制 6
1.2.4动控制 6
1 .3自动控制的基本方式 8
1.3.1控制 8
1 .3.2闭环控制 8
1 .3.3复合控制 9
1 .0控制系统的分类 9
1 .0. 1按系统输人信号的变化规律不同来分 9
1 .0.2按系统传输信号的性质来分 1 0
1 .0.3按描述系统的数学模型不同来分 1 0
1 .0.0其他分类方法 1 1
1 .5对控制系统的基本要求 1 1
1 .6例题精解 1 3
1 .7工程应用实例 1 5
本#小$ 1 6
gn 1 6
第2章控制系统的数学模型 1 9
2. 9
2. 1 . 1数学模型的特点 1 9
22 数学模型的类型 20
2. 1 .3建模途径与原则 2 1
2 .2控制系统的微分方程 2 1
2.2. 1建立微分方程模型的一般步骤 2 1
2.2.2 模 例 22
2 .2.3非线性系统(数学模型）的线性化 25
2 .3控制系统的传递函数 28
2.3. 1传递函数的概念 28
2.3.2 型 其 数 30
2 .3.3控制系统的传递函数 34
2 .3.4传递函数的标准形式 37
2 .3.5传递函数的零点和极点对输出的影响 38
2 .4控制系统的结构图 38
2 .4.1结构图的概念 38
2 .4.2系统结构图的建立 39
2 .4.3结构图的等效变换 41
2 .5信号流图与梅森公式 46
2.5 .1信号流图中的术语 46
2 .5.2信号流图的绘制 47
2 .5.3梅森公式 48
2 .6应用MATLAB进行模型处理 50
2.6.1 与 50
2.6.2 数 51
2 .7例题精解 54
2 .8工程应用实例 59
；&#小M 59
59
第3章线性系统的时域分析 63
3.1 63
3.1.1 型信 64
3.1.2性能指标 65
3.2 —阶系统的分析和计算 66
3.2.1 —阶系统的数学模型 66
3.2.2 —阶系统的单位阶跃响应 67
3.2.3 响应 68
3.2.4 单位脉冲响应 69
3.3 二阶系统的分析和计算 69
3.3.1 二阶系统的数学模型 69
3.3.2 响应 70
3.3.3 二阶系统性能指标分析 73
3.3.4 脉冲响应 75
3 .4改善二阶系统性能的措施 76
3.4.1 二阶系统的比例-微分控制 76
3.4.2 系统的 控制 78
3.4.3比例-微分控制与速度反馈控制的比较 79
3.4 .4控制系统的基本控制律——比例-积分-微分控制 79
3 .5高阶系统的时间响应 81
3.5.1高阶系统的阶跃响应 81
3 .5.2高阶系统性能估计 82
3 .6用MATLAB进行动态响应分析 80
3.6. 1 绘制响应曲线 80
3 .6.2阶跃响应性能分析 85
3 .6.3 应用Simulink进行仿真 86
3 .7稳定性分析 87
3.7. 1 稳定性的概念和定义 87
3 .7.2线性系统稳定的条件 88
3 . 7. 3劳斯-赫尔维茨判据 89
3 .8线性系统的稳态误差计算 92
3.8. 1 稳态误差的定义 92
3 .8.2参考输人作用下的稳态误差 90
3 .8.3扰动作用下的稳态误差 96
3 . 8. 0动态误差系数 98
3 .9例题精解 99
3. 1 0工程应用实例 1 07
；&# 小 M 1 07
07
第4章线性系统的根轨迹法 1 1 2
0. 1根轨迹的基本概念 1 1 2
0. 1 . 1闭环零、极点与开环零、极点之间的关系 1 1 2
0. 1 .2根轨迹的基本概念 1 1 3
0.2根轨迹方程 1 1 0
0.3 根轨迹 制的基本 5
0.3. 1 1 80°根轨迹绘制的基本规则 1 1 6
0.3.2零度根轨迹的绘制规则 1 23
0.0典型反馈系统的根轨迹分析 1 25
0. 0. 1反馈系统的根轨迹分析举例 1 25
0.0.2 型的根轨迹 28
0. 0.3非最小相位系统的根轨迹 1 29
0.0.0 参数根轨迹 30
0.5用MATLAB绘制系统的根轨迹 1 32
0.5. 1 命令介绍 1 32
0.5.2绘图示例 1 33
0.6 例 精解 35
0.7 工程应用实例 00
本#小结 1 00
00
第+章线性系统的频域分析法 1
5. 1频率特性的基本概念 1
5 . 1 . 1 频率特性的定义 1 00
5.1. 2频率特性的几何表示法 145
5.2典型环节的频率特性 146
5.2.1 比例环节 146
5.2.2 积分环节 147
5.2.3 微分环节 148
5.2.4 惯性环节 149
5 .2. 5 —阶微分环节 1 5 0
5 .2.6振荡环节 1 5 0
.2.7 分 1 3
5 .2.8 延迟环节 1 5 3
5 .3控制系统的开环频率特性 1 5 3
5 . 3. 1 开环 Nyquist 图 1 5 4
5 . 3. 2 开环 Bode 图 1 5 5
5 .3.3最/J、相位系统与非最/J、相位系统 1 5 7
5 .4奈奎斯特稳定判据 1 5 9
5 .4.1辅助函数F" 1 5 9
5 .4.2幅角原理 160
5 .4.3奈奎斯特稳定判据 161
5 .4.4对数频率特性稳定判据 163
5 . 5控制系统的稳定裕度 16 5
5 . 6 闭环频率特性 167
5 .7频率特性分析 167
5 .7.1用开环频率特性分析系统的性能 168
5 .7.2开环频域性能指标与时域指标的关系 169
5 .7.3开环频域指标与闭环频域指标的关系 171
.8 MATLAB 频率特性分析 172
.8.1 Bode 172
5 . 8. 2 Nyquist 图 174
5 . 8. 3 Nichols 图 17 6
5 .9例题精解 177
5 .10工程应用实例 180
；&# 小结 180
181
第6章控制系统综合与设计 184
6.1 184
6.1.1 性 标 184
6.1.2 控制系统校正的基本方法 184
6.2 校正方案 18 5
6 .2.1校正方式 18 5
6.2.2 校正装置 18 5
6.2.3 校正方案 1 87
6.3 根轨迹法校正 1 87
6.3. 1基于根轨迹法的超前校正 1 87
6. 3. 2基于根轨迹法的滞后校正 1 89
6 .3.3基于根轨迹法的滞后-超前校正 1 90
6.0频率响应法校正 191
6.0. 1应用伯德图设计的思 路 191
6.0. 2 频率响应超前校正 192
6.0. 3 频率响应滞后校正 197
6.0. 0频率响应滞后-超前校 正 200
6.5 校正 203
6.6 例题精解 201
6.7工程应用实例 209
209
210
第7章非线性控制系统 212
7.1 212
7.1.1 非线性控制系统的特点 212
7.1.2典型非线性特性 213
7.2 描述函数法 215
7 .2.1描述函数的含义 215
7.2.2 型非线性 的 述 数 216
7.2.3 典型非线性环节组合时的描述函数 221
7. 3非线性控制系统描述函数分析 223
7 .3.1非线性系统的稳定性 223
7.3.2 自持振荡分析 220
7.0相平面法 227
7.0. 1相平面的基本概 念 227
7.0. 2相平面的特 点 228
7.0. 3 线性系统相轨迹 229
7.0. 0 相轨迹 制 232
7.5 非线性系统相 面分析 230
7.5.1 奇点与极限环 230
7.5.2 相 面法分析非线性系统 237
7.6 例 精解 201
7.7 工程应用实例 205
本#小$ 245
205
第8章离散控制系统 249
8. 1离散系统的基本概念 249
8.1.1采样控制系统 249
8.1.2数字控制系统 25 1
8.1. 3离散控制系统的特点 2 52
8. 2信号的采样与保持 2 53
8.2.1采样过程 2 53
8.2.2采样过程的数学描述 2 5 4
8.2.3采样定理 2 56
8.2.4信号保持 2 57
8.3 260
8.3.1 Z变换的定义 260
8.3.2 Z变换的方法 260
8.3.3 Z变换的性质 263
8.3.4 Z 263
8.4离散系统的数学模型 264
8.4.1 差分方程 26 5
8.4.2 脉冲传递函数 266
8. 5离散系统的稳定性和稳态误差 272
8. 5 .1离散系统的稳定性 272
8. 5 .2离散系统的稳态误差 276
8. 6离散系统的动态性能分析 278
8.7离散系统的数字校正 280
8.8 MATLAB 离散控制系统分析 281
8.8.1 Z变换和Z反变换 281
8 .8.2连续系统的离散化 281
8.8.3 采样系统的响应 282
8.9例题精解 283
8.10工程应用实例 286
286
287
习题参考答案 290
300
光盘与纸质教材关联索引 301
目 录
刖：
第1章绪论 1
1 .1弓唷 1
1 .1.1控制理论的发展历程 1
1.1.2自动控制系统的组成及术语 2
1.2自动控制举例 4
1.2.1 温度控制 0
/.2.2 控制 5
/.2.3 控制 6
/.2.0 动控制 6
1 .3自动控制的基本方式 8
/.3./ 控制 8
1 .3.2闭环控制 8
1 .3.3复合控制 9
1 .0控制系统的分类 9
1 .0. 1按系统输人信号的变化规律不同来分 9
1 .0.2按系统传输信号的性质来分 1 0
1 .0.3按描述系统的数学模型不同来分 1 0
1 .0.0其他分类方法 1 1
1 .5对控制系统的基本要求 1 1
1 .6例题精解 1 3
1 .7工程应用实例 1 5
本#小$ 1 6
gn 1 6
第2章控制系统的数学模型 1 9
2. 9
2. 1 . 1数学模型的特点 1 9
22 数学模型的类型 20
2. 1 .3建模途径与原则 2 1
2 .2控制系统的微分方程 2 1
2.2. 1建立微分方程模型的一般步骤 2 1
2.2.2 模 例 22
2 .2.3非线性系统(数学模型）的线性化 25
2 .3控制系统的传递函数 28
2.3. 1传递函数的概念 28
2.3.2 型 其 数 30
2 .3.3控制系统的传递函数 34
2 .3.4传递函数的标准形式 37
2 .3.5传递函数的零点和极点对输出的影响 38
2 .4控制系统的结构图 38
2 .4.1结构图的概念 38
2 .4.2系统结构图的建立 39
2 .4.3结构图的等效变换 41
2 .5信号流图与梅森公式 46
2.5 .1信号流图中的术语 46
2 .5.2信号流图的绘制 47
2 .5.3梅森公式 48
2 .6应用MATLAB进行模型处理 50
2.6.1 与 50
2.6.2 数 51
2 .7例题精解 54
2 .8工程应用实例 59
；&#小M 59
59
第3章线性系统的时域分析 63
3.1 63
3.1.1 型信 64
3.1.2性能指标 65
3.2 —阶系统的分析和计算 66
3.2.1 —阶系统的数学模型 66
3.2.2 —阶系统的单位阶跃响应 67
3.2.3 响应 68
3.2.4 单位脉冲响应 69
3.3 二阶系统的分析和计算 69
3.3.1 二阶系统的数学模型 69
3.3.2 响应 70
3.3.3 二阶系统性能指标分析 73
3.3.4 脉冲响应 75
3 .4改善二阶系统性能的措施 76
3.4.1 二阶系统的比例-微分控制 76
3.4.2 系统的 控制 78
3.4.3比例-微分控制与速度反馈控制的比较 79
3.4 .4控制系统的基本控制律——比例-积分-微分控制 79
3 .5高阶系统的时间响应 81
3.5.1高阶系统的阶跃响应 81
3 .5.2高阶系统性能估计 82
3 .6用MATLAB进行动态响应分析 80
3.6. 1 绘制响应曲线 80
3 .6.2阶跃响应性能分析 85
3 .6.3 应用Simulink进行仿真 86
3 .7稳定性分析 87
3.7. 1 稳定性的概念和定义 87
3 .7.2线性系统稳定的条件 88
3 . 7. 3劳斯-赫尔维茨判据 89
3 .8线性系统的稳态误差计算 92
3.8. 1 稳态误差的定义 92
3 .8.2参考输人作用下的稳态误差 90
3 .8.3扰动作用下的稳态误差 96
3 . 8. 0动态误差系数 98
3 .9例题精解 99
3. 1 0工程应用实例 1 07
；&# 小 M 1 07
07
第4章线性系统的根轨迹法 1 1 2
0. 1根轨迹的基本概念 1 1 2
0. 1 . 1闭环零、极点与开环零、极点之间的关系 1 1 2
0. 1 .2根轨迹的基本概念 1 1 3
0.2根轨迹方程 1 1 0
0.3 根轨迹 制的基本 5
0.3. 1 1 80°根轨迹绘制的基本规则 1 1 6
0.3.2零度根轨迹的绘制规则 1 23
0.0典型反馈系统的根轨迹分析 1 25
0. 0. 1反馈系统的根轨迹分析举例 1 25
0.0.2 型的根轨迹 28
0. 0.3非最小相位系统的根轨迹 1 29
0.0.0 参数根轨迹 30
0.5用MATLAB绘制系统的根轨迹 1 32
0.5. 1 命令介绍 1 32
0.5.2绘图示例 1 33
0.6 例 精解 35
0.7 工程应用实例 00
本#小结 1 00
00
第+章线性系统的频域分析法 1
5. 1频率特性的基本概念 1
5 . 1 . 1 频率特性的定义 1 00
5.1. 2频率特性的几何表示法 145
5.2典型环节的频率特性 146
5.2.1 比例环节 146
5.2.2 积分环节 147
5.2.3 微分环节 148
5.2.4 惯性环节 149
5 .2. 5 —阶微分环节 1 5 0
5 .2.6振荡环节 1 5 0
.2.7 分 1 3
5 .2.8 延迟环节 1 5 3
5 .3控制系统的开环频率特性 1 5 3
5 . 3. 1 开环 Nyquist 图 1 5 4
5 . 3. 2 开环 Bode 图 1 5 5
5 .3.3最/J、相位系统与非最/J、相位系统 1 5 7
5 .4奈奎斯特稳定判据 1 5 9
5 .4.1辅助函数F" 1 5 9
5 .4.2幅角原理 160
5 .4.3奈奎斯特稳定判据 161
5 .4.4对数频率特性稳定判据 163
5 . 5控制系统的稳定裕度 16 5
5 . 6 闭环频率特性 167
5 .7频率特性分析 167
5 .7.1用开环频率特性分析系统的性能 168
5 .7.2开环频域性能指标与时域指标的关系 169
5 .7.3开环频域指标与闭环频域指标的关系 171
.8 MATLAB 频率特性分析 172
.8.1 Bode 172
5 . 8. 2 Nyquist 图 174
5 . 8. 3 Nichols 图 17 6
5 .9例题精解 177
5 .10工程应用实例 180
；&# 小结 180
181
第6章控制系统综合与设计 184
6.1 184
6.1.1 性 标 184
6.1.2 控制系统校正的基本方法 184
6.2 校正方案 18 5
6 .2.1校正方式 18 5
6.2.2 校正装置 18 5
6.2.3 校正方案 1 87
6.3 根轨迹法校正 1 87
6.3. 1基于根轨迹法的超前校正 1 87
6. 3. 2基于根轨迹法的滞后校正 1 89
6 .3.3基于根轨迹法的滞后-超前校正 1 90
6.0频率响应法校正 191
6.0. 1应用伯德图设计的思 路 191
6.0. 2 频率响应超前校正 192
6.0. 3 频率响应滞后校正 197
6.0. 0频率响应滞后-超前校 正 200
6.5 校正 203
6.6 例题精解 201
6.7工程应用实例 209
209
210
第7章非线性控制系统 212
7.1 212
7.1.1 非线性控制系统的特点 212
7.1.2典型非线性特性 213
7.2 描述函数法 215
7 .2.1描述函数的含义 215
7.2.2 型非线性 的 述 数 216
7.2.3 典型非线性环节组合时的描述函数 221
7. 3非线性控制系统描述函数分析 223
7 .3.1非线性系统的稳定性 223
7.3.2 自持振荡分析 220
7.0相平面法 227
7.0. 1相平面的基本概 念 227
7.0. 2相平面的特 点 228
7.0. 3 线性系统相轨迹 229
7.0. 0 相轨迹 制 232
7.5 非线性系统相 面分析 230





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