1 自动化专业课程

2 2008年高等教育出版社出版书籍

3 2009年电子工业出版社出版书籍

4 2005年国防工业出版社出版书籍

5 2007年清华大学出版社出版书籍

6 2010年经济科学出版社出版书籍

7 21世纪高等院校自动化类专业系列教材

8 2011年电子工业出版社出版书籍

9 同名机械工业出版社图书

10 2008年中国铁道出版社出版图书

11 2011年清华大学出版社出版图书

自动控制（原理）是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。

自动控制理论

应时而生

自动控制系统

反馈控制系统

基础理论课

主要内容

本课程覆盖的基本概念

本课程涵盖的基本知识点

◎ 自动控制理论

自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后，以形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出，线形定常数系统的分析和设计问题。

◎ 应时而生

20世纪60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段——现代控制理论。他主要研究具有高性能，高精度的多变量变参数的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础的智能控制理论深入。

◎ 自动控制系统

为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。

◎ 反馈控制系统

在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。

下面是一个标准的反馈模型：

开方：

公式：X(n+1）=Xn+（A/Xn^2-Xn）1/3设A=5，开3次方

　5介于1^3至2^3之间（1的3次方=1，2的3次方=8）

X_0可以取1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0都可以。例如我们取2.0.按照公式：

第一步：X1={2.0+[5/(2.0^2-2.0]1/3=1.7.}。即5/2×2=1.25，1.25-2=-0.75，0.75×1/3=0.25，输入值大于输出值，负反馈

2-0.25=1.75，取2位数值,即1.7。

第二步：X2={1.7+[5/(1.7^2-1.7]1/3=1.71}.。

即5/1.7×1.7=1.73010，1.73-1.7=0.03，0.03×1/3=0.01，输入值小于输出值正反馈

1.7+0.01=1.71。取3位数，比前面多取一位数。

第三步：X3={1.71+[5/(1.71^2-1.71]1/3=1.709}输入值大于输出值，负反馈

第四步：X4={1.709+[5/(1.709^2-1.709]1/3=1.7099}.输入值小于输出值正反馈

这种方法可以自动调节，第一步与第三步取值偏大，但是计算出来以后输出值会自动转小；第二步，第四步输入值偏小，输出值自动转大。X_4=1.7099.

当然也可以取1.1，1.2，1.3，。。。1.8，1.9中的任何一个。

同时自动控制原理也是现在高校自动化专业的一门主干课程，是学习后续专业课的重要基础，也是自动化专业硕士研究生入学必考的专业课。

◎ 基础理论课

该课不仅是自动控制专业的基础理论课，也是其他专业的基础理论课，目前信息科学与工程学院开设本课程的专业有计算机、电子信息、检测技术。

该课程不仅跟踪国际一流大学有关课程内容与体系，而且根据科研与学术的发展不断更新课程内容，从而提高自动化及相关专业的整体学术水平。

◎ 主要内容

该课程是自动控制理论的基础，其主要内容包括：自动控制系统的基本组成和结构、自动控制系统的性能指标，自动控制系统的类型（连续、离散、线性、非线性等）及特点、自动控制系统的分析（时域法、频域法等）和设计方法等。通过本课程的学习，学生可以了解有关自动控制系统的运行机理、控制器参数对系统性能的影响以及自动控制系统的各种分析和设计方法等。

◎ 本课程覆盖的基本概念

系统、反馈、方框图（方块图）、信号流图、传递函数；稳定性、稳定裕量，基本环节、时间常数、阻尼系数，脉冲响应、阶跃响应、动态性能指标、稳态误差，根轨迹，主导极点，频率特性，校正和综合，典型的非线性特性、描述函数、相平面、自持振荡，采样控制、Z变换、脉冲传递函数。

◎ 本课程涵盖的基本知识点

1．简单物理系统的微分方程和传递函数的列写和计算；

2．方框图和信号流图的变换和化简；

3．开环传递函数与闭环传递函数的推导和计算；

4．线性连续系统的动态过程分析；

5．代数稳定判据及其在线性系统中的应用；

6．根轨迹的基本特性及典型系统根轨迹的绘制；

7．用根轨迹分析系统的动态性能和稳定性；

8．波德图和奈奎斯特图的绘制；

9．奈奎斯特稳定判据及应用；

10．用开环频率特性分析系统的主要动态和静态特性；

11．校正的基本原理及设计方法；

12．简单非线性控制系统分析的描述函数分析方法及相平面方法；

13．采样系统的分析及校正的基本方法。

简介

内容简介

目录

◎ 简介

自动控制原理作　者： 孟庆明　主编

出 版 社： 高等教育出版社

出版时间： 2008-6-1

开　本： 16开

I S B N ： 9787040239478

定价：￥29.20

◎ 内容简介

《自动控制原理》为普通高等教育“十一五”国家级规划教材，第一版于2005年被评为北京市精品教材。《自动控制原理》是为非自动化类、工科高年级学生编写的教材，简练地论述了连续控制系统的分析和综合研究方法，包括系统数学模型的建立和动态结构图等效变换法则，利用经典控制理论的时域分析法、复域分析法、频域分析孽对控制系统进行分析，应用串联校正、反馈校正和前馈校正进行系统的设计和补偿。同时阐述了采样控制系筝的分析和综合方法，并对控制系统的状态空间分析法及能控性和能观测性进行了论述。书中部分章节适当增加了MATLAB应用的内容。《自动控制原理》适合高年级本科生、研究生和工程技术人员使用。

◎ 目录

第1章　绪论

1-1 自动控制系统的基本概念和发展简史

1-2 自动控制的基本方式

1-3 自动控制系统的性能要求

1-4 自动控制系统示例

小结

习题

第2章　控制系统的数学模型

2-1 拉氏变换

2-2 传递函数

2-3 动态结构图及其等效变换

2-4 典型环节的传递函数

2-5 自动控制系统的传递函数

2-6 MATLAB的应用

2-7 示例——磁盘驱动读取系统

小结

习题

第3章　时域分析法

3-1 典型输入信号及性能指标

3-2 一阶系统分析

3-3 二阶系统分析

3-4 高阶系统分析

3-5 系统稳定性分析

3-6 系统稳态精度分析

3-7 MATLAB的应用

小结

习题

第4章　复域分析法——根轨迹法

4-1 根轨迹的基本概念

4-2 绘制根轨迹图的基本法则

4-3 利用根轨迹分析系统的动态性能

4-4 广义根轨迹

4-5 用MATLAB绘制根轨迹

小结

习题

第5章　频域分析法——频率法

5-1 频率特性

5-2 典型环节的频率特性

5-3 控制系统开环频率特性

5-4 稳定判据及稳定裕度

5-5 闭环频域性能指标及时域性能指标的估算

5-6 系统开环频率特性三频段概念

5-7 用实验法求传递函数

5-8 利用MATLAB分析系统稳定性

小结

习题

第6章　自动控制系统的设计与校正

6-1 控制系统的设计步骤

6-2 性能指标与系统设计的基本思路

6-3 基本控制规律

6-4 常用串联校正网络

6-5 常用的串联校正方法

6-6 反馈校正

6-7 复合校正

6-8 控制系统设计实例

小结

习题

第7章　采样数据控制系统分析

7-1 概述

7-2 信号的采样与保持

7-3 Z变换与Z反变换

7-4 脉冲传递函数

7-5 采样数据控制系统的性能分析

小结

习题

第8章　状态空间分析法

8-1 概述

8-2 动态系统的状态空间表示法

8-3 多输入多输出（MIMO）系统状态空间表达式和传递矩阵

8-4 线性系统能控性和能观测性

小结

习题

附录　自动控制原理实验测试方法

概述

实验一 一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试

实验二 频率响应测试

实验三 控制系统串联校正

实验四 采样系统实验研究

部分习题答案

参考文献

简介

内容简介

目录

◎ 简介

书名：自动控制原理作者：谢克明

出版社：电子工业出版社

出版时间：2009

ISBN：9787121068935

开本：16

定价：29.80 元

◎ 内容简介

《自动控制原理》是普通高等教育“十一五”国家规划教材，比较全面地阐述自动控制的基本理论及应用。全书共分8章和3个附录，主要内容包括：线性系统的数学模型、时域响应分析、根轨迹法、频域特性分析、控制系统的设计与校正、非线性系统分析、采样控制系统，以及在MATLAB与simulink支持下对控制系统进行计算机辅助分析与设计。全书内容取材新颖，阐述深入浅出。为了便于自学，各章均附有丰富的例题和习题。

《自动控制原理》可作为高等院校自动化等专业的本科生教材，也可供相关专业的研究生或从事自动化技术工作的人员参考。

◎ 目录

第1章绪论

1.1开环控制和闭环控制

1.1.1开环控制

1.1.2闭环控制（反馈控制）

1.2自动控制系统的组成及术语

1.3自动控制系统的类型

1.3.1按信号流向划分

1.3.2按系统输入信号划分

1.3.3线性系统和非线性系统

1.3.4定常系统和时变系统

1.3.5连续系统和离散系统

1.3.6单输入单输出系统与多输人多输出系统

1.4自动控制系统性能的基本要求

1.5自动控制课程的主要任务

1.5.1阶跃函数

1.5.2斜坡函数（等速度函数）

1.5.3抛物线函数（等加速度函数）

1.5.4脉冲函数

1.5.5正弦函数

1.6自动控制系统实例

1.6.1造纸机分部传动控制系统

1.6.2谷物湿度控制系统

1.6.3烘烤炉温度控制系统

本章小结

习题

第2章线性系统的数学模型

2.1线性系统的微分方程

2.2微分方程的线性化

2.3传递函数

2.3.1传递函数的概念

2.3.2传递函数的特点

2.3.3典型环节的传递函数

2.4方框图

2.4.1方框图

2.4.2系统方框图的构成

2.4.3环节间的连接

2.4.4方框图的变换和简化

2.5信号流图

2.5.1信号流图的定义

2.5.2系统的信号流图

2.5.3信号流图的定义和术语

2.5.4信号流图的性质

2.5.5信号流图的简化

2.5.6信号流图的增益公式

2.6MATLAB中数学模型的表示

2.6.1传递函数

2.6.2传递函数的特征根及零、极点图

2.6.3控制系统的方框图模型

2.6.4控制系统的零、极点模型

2.6.5状态空间表达式

本章小结

习题

第3章控制系统的时域分析

3.1线性定常系统的时域响应

3.2控制系统时域响应的性能指标

3.2.1稳态性能指标

3.2.2动态性能指标

3.3线性定常系统的稳定性

3.3.1稳定性的概念

3.3.2线性定常系统稳定的充分必要条件

3.3.3劳斯判据（Routh判据）

3.3.4赫尔维茨判据（Hurwitz判据）

3.3.5系统参数对稳定性的影响

3.3.6相对稳定性和稳定裕量

3.4系统的稳态误差

3.4.1误差及稳态误差的定义

3.4.2稳态误差分析

3.4.3稳态误差的计算

3.4.4应用静态误差系数计算给定信号作用下的稳态误差

3.4.5扰动信号作用下的稳态误差与系统结构的关系

3.4.6改善系统稳态精度的途径

3.4.7系统的动态误差系数

3.5一阶系统的时域响应

3.5.1数学模型

3.5.2单位阶跃响应

3.5.3性能指标

3.5.4一阶系统的单位脉冲响应

3.6二阶系统的时域响应

3.6.1二阶系统的数学模型

3.6.2二阶系统的单位阶跃响应

3.6.3二阶系统的单位脉冲响应

3.7高阶系统的瞬态响应

3.7.1高阶系统的瞬态响应

3.7.2高阶系统的降阶

3.7.3零、极点对阶跃响应的影响

3.8用MATLAB和Simulink进行瞬态响应分析

3.8.1单位脉冲响应

3.8.2单位阶跃响应

3.8.3斜坡响应

3.8.4任意函数作用下系统的响应

3.8.5由系统传递函数求系统的响应

3.8.6系统阶跃响应的性能指标

3.8.7simulink建模与仿真

本章小结

习题

第4章根轨迹法

4.1根轨迹的基本概念

4.1.1根轨迹

4.1.2根轨迹的基本条件

4.2绘制根轨迹的基本规则

4.3根轨迹绘制举例

4.4广义根轨迹

4.4.1参数根轨迹

4.4.2多参数根轨迹簇

4.4.3正反馈系统的根轨迹（零度根轨迹）

4.5根轨迹分析系统的性能

4.5.1根轨迹确定系统的闭环极点

4.5.2根轨迹分析系统的动态特性

4.5.3开环零点对根轨迹的影响

4.5.4开环极点对根轨迹的影响

4.6MATLAB绘制系统的根轨迹

本章小结

习题

第5章控制系统的频域分析

5.1频率特性

5.1.1频率特性概述

5.1.2频率特性的求取

5.1.3频域性能指标

5.2典型环节的频率特性

5.2.1概述

5.2.2典型环节的频率特性

5.3系统的开环频率特性

5.3.1系统的开环对数频率特性

5.3.2系统开环极坐标图（奈氏图）

5.3.3最小相位和非最小相位系统

5.4奈奎斯特稳定判据

5.4.1映射定理

5.4.2Nyquist轨迹及其映射

5.4.3Nyquist稳定判据

5.4.4Nyquist稳定判据二

5.4.5Nyquist对数稳定判据

5.5控制系统的相对稳定性

5.5.1增益裕量

5.5.2相角裕量

5.5.3用幅相频率特性曲线分析系统稳定性

5.6闭环系统的频率特性

5.6.1等M圆（等幅值轨迹）

5.6.2等N圆（等相角轨迹）

5.6.3利用等M圆和等N圆求单位反馈系统的闭环频率特性

5.6.4非单位反馈系统的闭环频率特性

5.7用频率特性分析系统品质

5.7.1闭环频域性能指标与时域性能指标的关系

5.7.2开环频率特性与时域响应的关系

5.8MATLAB频域特性分析

5.8.1Bode图

5.8.2Nyquist图

5.8.3Nichols图

本章小结

习题

第6章控制系统的设计与校正

6.1概述

6.1.1系统的性能指标

6.1.2系统的校正

第7章非线性系统分析

第8章采样控制系统

……

简介

内容简介

目录

◎ 简介

作　者： 李友善 编著

出 版 社： 国防工业出版社

出版时间： 2005-1-1

版　次： 1

页　数： 550

I S B N ： 9787118036923

包　装： 平装

所属分类： 图书 >> 工业技术 >> 电子 通信 >> 微电子学、集成电路（IC）

◎ 内容简介

本书主要包括控制系统的一般概念、控制系统的数学模型、线性系统的时域分析、根轨迹法、线性系统的频域分析、控制系统的综合与校正、线性离散系统的分析与综合、线性系统的状态空间分析法、线性系统的状态空间综合法、非线性控制系统的分析等涉及经典控制理论与现代控制理论的基础理论与基本内容、使读者通过学习为进一步开展控制理论研究和从事控制领域的工程实践构筑扎实的理论基础，为读者未来的学习与发展提供有力的理论支撑。

本书是普通高等学校电气、机械自动化类学科，化工过程自动化类学科，信息现代化类学科 读者学习控制理论的主要教材或主要参考书。为配合大学生的全面素质教育，本书还可作为人文社会科学类学科读者自然科学知识的参考读物。对于考研的读者以及从事控制工程与自动化领域的科技人员的自学与参考也是有益的。

◎ 目录

第1章 控制系统的一般概念

1.1 引言

1.2 开环控制与闭环控制

1.3 控制系统举例

1.4 控制系统的组成与对控制系统的基本要求

第2章 控制系统的数学模型

2.1 控制系统的时域模型

2.2 线性系统的复域模型

2.3 控制系统的方框图与信号流图

2.4 脉冲响应

习题

第3章 线性系统的时域分析

3.1 典型输入信号

3.2 一阶系统的时域分析

3.3 二阶系统的时域分析

3.4 高阶系统的时域分析

3.5 线性系统的稳定性与稳定判据

3.6 反馈系统的稳态误差

3.7 顺馈控制的误差分析

习题

第4章 根轨迹法

4.1 反馈系统的根轨迹

4.2 绘制根轨迹的基本规则

4.3 典型反馈系统的根轨迹分析

第5章 线性系统的频域分析

5.1 频率响应及其描述

5.2 典型环节的频率响应

5.3 对数频率特性

5.4 开环系统与闭环系统的频率响应

5.5 Nyquist稳定判剧

5.6 控制系统的相对稳定性

5.7 频域系统的相对稳定性

5.8 频域指标与时域指标间的关系

习题

第6章 控制系统的综合与校正

……

第7章 线性离散系统的分析与综合

第8章 线性系统的状态空间分析法

第9章 线性系统的状态空间综合法

第10章 非线性控制系统分析

附录一 数学基础一--拉普拉斯变换

附录二 数学基础二--矩阵

附录三 常用有源与无源校正网络

参考文献

简介

内容简介

编辑推荐

目录

◎ 简介

编 著：王建辉 (编者), 顾树生 (编者) 出版社: 清华大学出版社; 第1版 (2007年4月1日) 丛书名: 国家精品课程教材，全国高等学校自动化专业系列教材 平 装: 444页 开 本: 16开

◎ 内容简介

《自动控制原理》阐述了经典控制理论的基本概念、原理和自动控制系统的各种分析方法，主要内容包括线性连续系统与离散系统的时域和频域理论，如系统的动态性能、静态性能、稳定性的分析和各种设计方法的运用等。《自动控制原理》从基本概念、基本分析方法入手，结合生产和生活中的实例，以时域分析方法为主线，时域分析和频域分析并进，在严谨的数学推导的基础上，利用直观的物理概念，引出系统参数与系统指标之间的内在联系。

◎ 编辑推荐

《自动控制原理》在《自动控制原理》前四版的基础上，对各章内容都进行了修订。修订的基本思想是更新观念，深化改革，提高知识起点，努力拓宽专业口径，以增强培养人才的适应性。

《自动控制原理》既可以作为高等学校自动化、仪表、电气传动、计算机、机械、化工、航天航空等相关专业的教材，也可供有关工程技术人员再学习时参考。

◎ 目录

第1章　自动控制系统的基本概念

1.1　开环控制系统与闭环控制系统

1.2　闭环控制系统的组成和基本环节

1.3　自动控制系统的类型

1.4　自动控制系统的性能指标

小结

思考题与习题

第2章　自动控制系统的数学模型

2.1　微分方程式的编写

2.2　非线性数学模型的线性化

2.3　传递函数

2.4　系统动态结构图

2.5　系统传递函数和结构图的等效变换

2.6　信号流图

2.7　用MATLAB求解线性微分方程和化简系统方框图

小结

思考题与习题

第3章　自动控制系统的时域分析

3.1　自动控制系统的时域指标

3.2　一阶系统的跃响应

3.3　二阶系统的阶跃响应

3.4　高阶系统的动态响应

3.5　自动控制系统的代数稳定判据

3.6　稳态误差

3.7　用MATLAB进行系统时域分析

小结

思考题与习题

第4章　根轨迹法

4.1　根轨迹法的基本概念

4.2　要轨迹的绘制法则

4.3　用根轨迹法分析系统的动态特性

4.4　用MATLAB绘制根轨迹

小结

思考题与习题

第5章　频率法

5.1　频率特性的基本概念

5.2　非周期函数的频谱分析

5.3　频率特性的表示方法

5.4　典型环节的频率特性

5.5　系统开环频率特性的绘制

5.6　奈奎斯特稳定判据及其应用

5.7　系统动态特性和开环频率特性的关系

5.8　闭环系统频率特性

5.9　系统动态特性和闭环频率特性的关系

5.10　用MALTAB绘制系统开环频率特性

小结

思考题与习题

第6章　控制系统的校正及综合

6.1　控制系统校正的一般概念

6.2　串联校正

6.3　反馈校正

6.4　复合校正

6.5　应用MATLAB进行系统校正

小结

思考题与习题

第7章　非线性系统分析

7.1　非线性系统动态过程的特点

7.2　非线性特性及其对系统性能的影响

7.3　非线性特性的描述函数

7.4　非线性系统的描述函数法

7.5　改善非线性系统性能的措施及非线性特性的利用

7.6　相平面法

小结

思考题与习题

第8章　线性离散系统的理论基础

8.1　线性离散系统的基本概念

8.2　离散时间函数的数学表达式及采样定理

8.3　z变换

8.4　线性常数差分方程

8.5　脉冲传递函数

8.6　采样控制系统的时域分析

8.7　采样控制系统的频域分析

8.8　线性离散系统的数字校正

8.9　最少拍离散控制系统的分析与设计

8.10　用MATLAB进行采样系统分析

小结

思考题与习题

名词术语索引

附录　本书使用的部分MATLAB指令

参考文献

基本信息

内容简介

目录

◎ 基本信息

书名：自动控制原理作者： 曹爱文

出版社：经济科学出版社

版次：2010年7月第1版

定价：24.90元

开本：16

装订：胶装

ISBN 978-7-5058-9638-3

丛书名：高职高专“十二五”规划教材

◎ 内容简介

本书浅显易懂，选材广泛适当，覆盖面广，推理严谨。全书共安排九章内容，包括自动控制系统简介、拉氏变换、自动控制系统的数学模型、时域分析、根轨迹分析法、频域分析、系统的校正与设计、采样控制系统基础、自动控制原理实验指导。为了便于组织教学和学习，全书每章均设有“本章导读”、“学习目标”，明确教学重点和基本要求；每章结束均设有“本章小结”，便于教学归纳总结与提升理解层次与复习效果。

此外，书中安排有相应实例，并将MATLAB引入本书，作为补充内容与能力提升的一种手段。同时，为了加深学生对课程内容的理解和掌握，每章均有一定量的习题。本书中习题有两类，其中，题号前加“*”的为难度较大的题，适合深入学习。

◎ 目录

第1章　自动控制系统简介

1.1　自动控制系统概述

1.2　开环控制与闭环控制

1.3　自动控制系统的组成与工作原理

1.4　自动控制系统的类型

1.5　对自动控制系统的基本要求

第2章　拉氏变换

2.1　复数与复变函数

2.2　拉氏变换的基本定义

2.3　常用函数的拉氏变换

2.4　拉氏变换的其他内容

2.5　拉氏变换相关定理

2.6　拉氏反变换

2.7　应用拉氏变换求解微分方程

2.8　应用MATLAB进行部分分式展开

第3章　自动控制系统的数学模型

3.1　线性自动控制系统的微分方程

3.2　微分方程的线性化方法

3.3　传递函数与脉冲响应函数

3.4　典型环节的传递函数

3.5　方框图

3.6　控制系统的传递函数

3.7　应用MATLAB求解串联、并联与闭环传递函数

3.8　建立与化简控制系统数学模型实例

第4章　时域分析

4.1　时域响应

4.2　时域响应的性能指标

4.3　系统的稳定性

4.4　系统稳定性的判定

4.5　一阶系统的时域响应

4.6　二阶系统的时域响应

4.7　稳态误差

4.8　给定信号下的稳态误差与误差系数

4.9　应用MATLAB和Simulink进行瞬态响应分析

第5章　根轨迹分析法

5.1　根轨迹的基本概念

5.2　绘制根轨迹图的一般规则

5.3　广义根轨迹

5.4　系统性能分析

5.5　应用MATLAB绘制根轨迹图

5.6　根轨迹图绘制实例

第6章　频域分析

6.1　频率特性基础

6.2　典型环节的频率特性

6.3　开环频率特性

6.4　闭环频率特性

6.5　频率特性与系统性能的关系

6.6　系统稳定性的判定

6.7　相对稳定性

6.8　应用MATLAB进行频域特性分析

第7章　系统的校正与设计

7.1　系统性能指标

7.2　系统校正

7.3　线性系统基本控制规律（PID）

7.4　校正装置及其特性与功能

7.5　用频率法进行系统串联校正

7.6　应用MATLAB和Simulink进行线性系统设计

第8章　采样控制系统基础

8.1　初识离散系统

8.2　采样

8.3　Z变换

8.4　脉冲传递函数

8.5　闭环极点与动态特性的关系

8.6　系统稳定性分析

8.7　单位输入下的系统稳态误差

8.8　MATLAB在采样控制系统中的应用

第9章　自动控制原理实验指导

9.1　模拟典型环节

9.2　二阶系统时域响应

9.3　三阶系统时域响应

9.4　PID控制器的输出

参考文献

书名:自动控制原理(21世纪高等院校自动化类专业系列教材)

ISBN:711120174

作者:窦曰轩

出版社:机械工业

定价:45

页数:514

出版日期:2007-1-1

版次:

开本:16开

包装:

简介:本书从自动控制的三个基本问题——系统的数学模型、系统的性能分析和系统的综合设计出发，系统地阐述了以传递函数为基础的经典控制理论的基本内容。全书共7章，内容包括：自动控制系统的基本概念、线性控制系统的数学模型、控制系统的稳定性分析、控制系统的性能研究、根轨迹法、控制系统的校正、采样离散控制系统等。本书内容丰富，讲解通俗易懂，可以作为高等院校自动化相关专业的教材或参考书，也可以供从事自动化技术的人员参考。

目录:

出版说明

前言

第1章 自动控制概述

1.1自动控制的基本原理及自动控制系统的基本组成

1.1.1自动控制的初步概念

1.1.2自动控制的基本原理

1.1.3自动控制系统的基本组成

1.2自动控制系统示例

1.2.1液面控制系统

1.2.2直流电动机速度控制系统

1.2.3火炮跟踪系统

1.2.4电阻炉温度微机控制系统

1.2.5蒸汽发电机的协调控制系统

1.3自动控制系统的类型

1.3.1调节系统和随动系统

1.3.2连续系统和离散系统

1.3.3线性系统和非线性系统

1.3.4单输入单输出系统和多输入多输出系统

1.3.5确定性系统和不确定性系统

1.3.6集中参数系统和分布参数系统

1.4自动控制理论概要

1.4.1自动控制理论的发展

1.4.2对自动控制系统的基本要求

1.4.3本书内容及实际应用问题

1.5小结

1.6习题

第2章 控制系统的数学模型

2.1引言

2.2控制系统的微分方程

2.2.1线性系统微分方程的建立

2.2.2非线性系统微分方程的线性化

2.2.3线性微分方程的解

2.3控制系统的传递函数

2.3.1传递函数的概念

2.3.2传递函数的性质

2.3.3典型环节及其传递函数

2.3.4电气网络的运算阻抗与传递函数

2.3.5控制系统的传递函数

2.3.6利用传递函数求解系统的输出响应

2.4控制系统结构图和信号流图

2.4.1控制系统结构图的概念及建立

2.4.2结构图的等效变换及控制系统的传递函数

2.4.3信号流图概念及控制系统信号流图的建立

2.4.4梅逊增益公式

2.5控制系统的频率特性函数

2.5.1频率特性概念

2.5.2开环频率特性的图形表示

2.5.3闭环频率特性图

2.5.4由频率特性实验曲线确定最小相位系统的传递函数

2.6小结

2.7示例

2.8习题

第3章 控制系统的稳定性

3.1稳定性的概念和定义

3.1.1稳定的基本概念

3.1.2渐近稳定和BIBO稳定

3.1.3线性定常系统稳定的充分必要条件

3.2Routh—Hurwitz稳定性判据

3.2.1Routh稳定性判据

3.2.2Hurwitz稳定性判据

3.2.3参数对稳定性的影响及参数的稳定域

3.3Nyquist稳定性判据

3.3.1映射定理

3.3.2Nyquist稳定性判据及其应用

3.3.3根据开环对数频率特性分析线性控制系统稳定性

3.4控制系统的相对稳定性

3.4.1稳定裕度

3.4.2稳定裕度的求取

3.4.3利用Routh稳定性判据分析系统的相对稳定性

3.5小结

3.6示例

3.7习题

第4章 控制系统的性能指标

4.1引言

4.1.1典型输入信号

4.1.2控制系统的输出响应

4.2控制系统的稳态响应及稳态误差

4.2.1典型输入信号的稳态响应

4.2.2误差与稳态误差

4.2.3参考输人作用下系统稳态误差的计算

4.2.4扰动输入作用下系统稳态误差的计算

4.2.5稳态误差的抑制

4.3控制系统的瞬态响应及时域性能指标

4.3.1控制系统的时域性能指标

4.3.2一阶系统的动态响应

4.3.3二阶系统的动态响应

4.3.4高阶系统的动态响应及性能分析

4.4控制系统的频域性能指标

4.4.1开环频率特性对应的性能指标

4.4.2闭环频率特性对应的性能指标

4.4.3频域性能指标与时域性能指标的关系

4.5小结

4.6示例

4.7习题

第5章 根轨迹法

5.1根轨迹的基本概念

5.1.1根轨迹的定义

5.1.2根轨迹方程

5.1.3绘制根轨迹的基本条件

5.2根轨迹的绘制

5.2.1绘制根轨迹的基本规则

5.2.2根轨迹绘制举例

5.3广义根轨迹

5.3.1参数根轨迹和根轨迹族

5.3.2零度根轨迹和完全根轨迹

5.3.3延迟系统的根轨迹

5.4控制系统的根轨迹分析方法

5.4.1利用根轨迹分析控制系统

5.4.2根轨迹的改造

5.5小结

5.6示例

5.7习题

第6章 自动控制系统的校正

6.1控制系统校正的概念

6.1.1引言

6.1.2控制系统的校正方式

6.1.3线性系统的基本控制规律

6.2常用校正装置及其特性

6.2.1无源校正网络

6.2.2有源调节器

6.3根轨迹法校正

6.3.1串联领先校正

6.3.2串联滞后校正

6.3.3零、极点对消的校正

6.4频率特性法校正

6.4.1串联领先校正

6.4.2串联滞后校正

6.4.3串联滞后.领先校正

6.4.4期望频率特性法和自动控制系统的工程设计方法

6.5控制系统的反馈校正及复合控制

6.5.1反馈校正的解析法设计

6.5.2反馈校正的根轨迹法设计

6.5.3反馈校正的对数频率特性法设计

6.5.4复合控制

6.6小结

6.7示例

6.8习题

第7章 线性离散控制系统

7.1引言

7.1.1采样控制系统

7.1.2数字控制系统

7.1.3复杂的计算机控制系统

7.1.4离散控制系统的特点和研究方法

7.2信号的采样与保持

7.2.1采样过程及其数学描述

7.2.2采样定理及采样周期的选择

7.2.3信号的保持及保持器

7.3z变换

7.3.1z变换的定义和方法

7.3.2z变换的基本定理和性质

7.3.3z反变换

7.4采样离散控制系统的数学模型

7.4.1差分方程及其求解

7.4.2脉冲传递函数

7.4.3连续控制系统的离散化

7.5采样离散控制系统的性能分析

7.5.1离散控制系统的稳定性分析

7.5.2离散控制系统的稳态误差及计算

7.5.3离散控制系统的动态响应及性能分析

7.6采样离散控制系统的校正

7.6.1模拟化设计方法

7.6.2数字化设计方法

7.7小结

7.8示例

7.9习题

附录

附录A 拉普拉斯变换

附录B 部分习题参考答案

参考文献

图书信息

图书简介

前言

◎ 图书信息

书 代 号：G0129700

作 译 者：杨友良

出版日期：2011-03　定　价：￥39.0元

出 版 社：电子工业出版社　I S B N：9787121129704

丛 书 名：高等学校“十二五”电气自动化类规划教材

责任编辑：韩玲玲

◎ 图书简介

本书是根据全国高等工科院校自动化类专业“自动控制原理”课程教学大纲的要求编写的。全书介绍了经典控制理论的基本概念、基本原理和基本方法，着重加强对基本理论及其应用的阐述。全书共8章，前6章讲述线性连续系统的时域分析、根轨迹分析和频域分析，以及系统的综合校正；第7章介绍线性离散系统的基本理论、分析与综合方法；第8章介绍非线性系统的相关理论，包括描述函数法和相平面法。大部分章节都包含了MATLAB辅助控制系统分析和设计的方法。每章均有小结、示例及习题，有助于对基本概念的理解与基本方法的运用。

读者对象：本书可作为高等工科院校自动化、电气工程与自动化、测控技术与仪器、电子信息工程、机械工程及自动化、计算机科学与技术等专业的本科教材或参考书，也可供自动化工程技术人员学习参考。

◎ 前言

自动控制原理又称为经典控制理论，是研究自动控制系统共同规律的技术科学。它主要研究单输入-单输出线性定常系统的建模、分析与设计问题。主要内容包括：线性系统的数学模型、时域分析、根轨迹分析、频域分析、控制系统的设计与校正，线性离散控制系统的分析与设计，以及典型非线性系统的分析。

自动控制原理是自动化及相关专业的专业基础课。随着我国工业化、信息化的迅猛发展和日益融合，自动化技术在国民经济各行业得到了广泛应用，并成为开发新工艺、新设备、新材料、新能源，推动传统产业转型提升的关键技术。自动化技术与新型工业的深度融合，拓展了自动化专业的发展空间，也促使自动控制理论成为高等学校众多学科的专业基础。

河北联合大学（原河北理工大学）电气工程学院“自动控制原理”课程组一直承担着全校各相关专业的“自动控制原理”课的教学与实验工作，并完成了数十项相关科研课题。2008年“自动控制原理”课被评为河北省精品课程。本书是该课程组全体教师共同编写的，是各位参编教师数十年教学和科研工作经验的结晶。

本书是高等工科院校相关专业的本、专科教材，授课学时为50～90学时，也可供相关专业的研究生或从事自动化技术工作的人员参考。

本书具有以下特点。

（1）本书紧密结合教学大纲的要求，以理论为基础，重视工程应用，强化经验总结。

（2）丰富典型例题，突出工程应用，结合现代计算机辅助分析与设计手段（MATLAB）编写。

（3）每章均附适量的示例、习题，并配有相应的解题过程，与各章内容紧密结合。

（4）为方便教师使用本教材，配有PPT课件、习题解答及试题库，免费赠送。

本书第1章、第4章由杨友良编写，第6章、第8章由马翠红编写，第3章、第5章由田晴编写，第2章由屈滨编写，第7章由张瑞成编写。全书由杨友良统稿。

在本书的编写过程中，参考了许多优秀教材和著作。在此向收录于参考文献中的各位作者表示真诚的谢意。

由于时间仓促，加之编者水平有限，书中不当之处在所难免，敬请广大读者批评指正。

图书信息1(图书目录)

图书信息2(图书目录)

图书信息3(图书目录)

◎ 图书信息1

自动控制原理　第3版

书号：　33924　ISBN：　978-7-111-33924-3

作者：　孙炳达　印次：　3-2

责编：　贡克勤　开本：　16

字数：　404千字　定价：　34.0

所属丛书：　普通高等教育“十二五”规划教材

装订：　平　出版日期：　2011-08-03线性系统的数学模型，控制系统的时域分析法，控制系统的根轨迹分析法，控制系统的频率特性分析法，频率校正法，非线性系统分析，线性离散控制系统的分析与综合

◎ 图书目录

前言

第一章自动控制系统的基本概念1

第一节自动控制的基本方式1

第二节闭环控制系统的基本组成4

第三节自动控制系统的分类6

第四节对控制系统的基本要求7

习题8

第二章线性连续系统的数学模型10

第一节动态微分方程的编写10

?第二节非线性数学模型的线性化15

第三节传递函数18

第四节系统动态结构图25

?第五节信号流程图34

第六节脉冲响应函数38

?第七节系统状态方程的描述38

习题46

第三章控制系统的时域分析法49

第一节典型输入信号和时域性能指标49

第二节一阶系统分析51

第三节二阶系统分析55

第四节高阶系统分析64

第五节稳定性分析及代数判据66

第六节稳态误差分析及计算70

习题78

第四章控制系统的根轨迹分析法82

第一节根轨迹的基本概念82

第二节绘制根轨迹的基本条件和

基本规则83

第三节系统根轨迹的绘制89

第四节参量根轨迹90

第五节系统性能的根轨迹分析92

习题95

第五章控制系统的频率特性分析法97

第一节频率特性的基本概念97

第二节频率特性的表示方法100

第三节典型环节的频率特性101

第四节系统开环频率特性绘制110

第五节用频率法分析系统的稳定性115

第六节用频率法分析系统的稳态性能122

第七节用开环频率特性分析系统的

动态性能124

?第八节用闭环频率特性分析系统性能129

第九节传递函数的实验求取132

习题134

第六章频率法校正138

第一节频率法校正的基本概念138

第二节串联超前校正139

第三节串联滞后校正143

第四节相位滞后?超前校正146

?第五节期望串联校正151

?第六节并联校正154

第七节PID控制器158

习题160

第七章非线性系统分析162

第一节控制系统中的典型非线性特性162

第二节描述函数法164

第三节用描述函数法分析非线性系统169

第四节改善非线性系统性能的方法174

?第五节相平面分析法178

?第六节非线性系统的相平面分析183

习题186

第八章线性离散控制系统的

分析与综合188

第一节离散控制系统概述188

第二节连续信号的采样与复现189

第三节Z变换及Z反变换193

第四节线性离散系统的数学模型197

第五节离散控制系统稳定性分析202

第六节离散控制系统的稳态误差分析204

第七节离散控制系统的动态性能分析207

第八节数字控制器的模拟化设计212

第九节数字控制器的离散化设计215

习题218

?第九章MATLAB在自动控制

原理中的应用220

第一节MATLAB软件界面220

第二节MATLAB程序基础222

第三节Simulink操作简介228

第四节线性控制系统仿真236

第五节非线性控制系统仿真247

第六节离散控制系统仿真249

习题251

附录253

附表?1常用函数拉普拉斯变换表253

附表?2拉普拉斯变换的主要定理254

附表?3常用Z变换表254

参考文献256

◎ 图书信息2

自动控制原理

书号：　22089T　ISBN：　978-7-111-22089-3

作者：　孟华　印次：　1-7

责编：　刘丽敏　开本：　16

字数：　0千字　定价：　36.0

所属丛书：　普通高等教育“十一五”国家级规划教材

装订：　平　出版日期：　2011-06-13

◎ 图书目录

前言

第1章 自动控制的基本概念

第2章 控制系统数学模型的建立

第3章 时域分析法

第4章 根轨迹分析法

第5章 频域分析法

第6章 线性控制系统的校正

第7章 离散控制系统

第8章 非线性系统等

附录

参考文献

◎ 图书信息3

自动控制原理 非自动化类

书号：　25844　ISBN：　978-7-111-25844-5

作者：　王万良　印次：　1-2

责编：　任正一　开本：　16

字数：　239千字　定价：　17.0

所属丛书：　普通高等教育电气工程与自动化类"十一五"规划教材

装订：　平　出版日期：　2010-08-10

◎ 图书目录

序

前言

第1章 概念

第2章 连续系统的数学模型

第3章 时域分析方法

第4章 频率法

第5章 PID控制工程设计方法

第6章 离散系统的分析方法

第7章 非线性系统的描述函数法

习题参考答案

参考文献

基本信息

内容简介

图书目录

◎ 基本信息

书名：自动控制原理

书号：7-113-08630

作者：张莲 等

定价：36.00元

出版日期：2008年6月

套系名称：高等院校电气信息类规划教材

出版单位：中国铁道出版社

◎ 内容简介

本书比较全面地覆盖了大学本科“自动控制理论”课程的主要内容，介绍分析和设计反馈控制系统的经典理论和应用方法。内容包括自动控制系统概述，控制系统的数学模型，自动控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频率特性法、控制系统的校正，非线性控制系统，离散控制系统的分析和综合等。在每章后面分别介绍了MATLAB在自动控制理论中的一些应用，以及如何利用计算机辅助设计方法解决自动控制领域的一些系统分析和设计问题。同时，每章末编有一定数量的习题，主要用以检验、理解基本概念，熟练分析和设计方法。

◎ 图书目录

第1章 自动控制系统概述

第2章 控制系统的数学模型

第3章 时域分析法

第4章 根轨迹分析法

第5章 频率特性法

第6章 控制系统的校正

第7章 非线性控制系统

第8章 离散控制系统的分析和综合

图书信息

内容简介

前言

目录

部分章节

◎ 图书信息

书号：9787302270485

作者：满红、梁迎春、冀勇钢、孙淑娟等

定价：29.8元

出版日期：2011-12-5

出版社：清华大学出版社

◎ 内容简介

本书从实际应用的角度出发，介绍了经典控制理论和现代控制理论的基本概念、分析方法及应用。书中包括了控制系统的数学模型、时域分析法、根轨迹分析法、频率特性法、离散系统分析、非线性系统分析和自动控制理论综合等内容，强调的是物理概念和实际应用。

全书力求突出物理概念，尽量减少烦琐的数学推导，叙述深入浅出，通俗易懂，以大量例题形式介绍各种方法的实现过程，并结合当前报考研究生的需求，总结各类题型，从而达到抛砖引玉的效果。

本书力图以简明、实用为特色，以满足工程需要为宗旨。

本书可作为应用型本科自动化、机电一体化及相关专业的教学用书，也可作为报考研究生的参考教材，还可作为各类职业技术学院、专科学校、成人高校等相关专业的教材。

◎ 前言

随着科学技术的进步，自动控制技术在各个领域中的应用已日趋广泛，不但使生产设备和生产过程实现了自动化，大大提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，还在人类征服大自然，改善居住、生活条件等方面发挥了非常重要的作用。

自动控制原理是研究自动控制基本规律的学科，是分析和设计自动控制系统的理论基础。本书是为满足应用型本科电气、自动化及机电类各专业教学的需要而编写的。一般将自动控制理论分为经典控制理论和现代控制理论。考虑到实际工程中仍大量应用经典控制理论及目前报考研究生专业课考试的需要等情况，本书以经典控制理论和现代控制理论及其应用为主要内容，全书分为上、下两篇，共9章。其中，包括自动控制的一般概念，控制系统的数学模型、时域分析法、根轨迹分析法、频率特性法、离散控制系统分析、非线性系统分析和自动控制理论的综合等内容。

编者根据多年讲授本课程的经验，力求突出重点，精简篇幅，强调物理概念，较少使用烦琐的数学推导，加强理论与实际的结合，在应用方面下工夫，以突出应用型本科的特色为主。提出了适合应用型院校分层次学习的理念： 上篇主要针对普通学生的基础理论学习； 下篇主要用于提高学生理论与实际结合的能力，是总结多所学校多年考研题型精炼而成的。本书的主要特点是： 以简明的语言介绍概念，高度概括各类题型的解题方法，简化数学推导，增加实例说明，方便自学。

本书由大连科技学院满红任主编，编写了第1，5，9章，并负责全书的统稿工作； 梁迎春任副主编，编写了第2，3章； 大连科技学院冀勇钢任副主编，编写了第4章，并负责全书的图形绘制工作； 贾世杰任副主编，编写第6，7章，并参加全书的统稿工作； 孙淑娟编写了第8章。本书由大连理工大学邵诚教授担任主审，邵教授仔细审阅了全书并提出了宝贵的修改意见，在此表示衷心的感谢。同时向元泽怀、王琳、陈伦强、肖汉敏、杨旭、李艳斌等人为本书的出版给予的支持和帮助致以诚挚的谢意。

由于编者的水平有限，书中不妥与错误之处在所难免，恳请广大读者和专家批评指正。

编者

2011年6月

◎ 目录

上篇

第1章自动控制的一般概念

1.1自动控制的基本概念与方式

1.1.1自动控制的基本概念

1.1.2自动控制系统的基本控制方式

1.2自动控制系统的分类

1.3对控制系统性能的基本要求及评价

1.3.1对控制系统的基本要求

1.3.2对控制系统性能的评价

本章小结

习题

第2章控制系统的数学模型

2.1线性定常系统微分方程的建立及求解

2.1.1线性定常系统微分方程的建立

2.1.2线性定常系统微分方程的求解

2.2线性定常系统的传递函数

2.2.1传递函数的基本概念

2.2.2传递函数的求解方法

2.2.3传递函数的性质

2.3控制系统的结构图及其等效变换

2.3.1结构图的组成和绘制

2.3.2结构图的等效变换及化简

2.3.3控制系统各类传递函数的确定方法

2.4控制系统的信号流图

2.4.1信号流图的基本概念

2.4.2信号流图的绘制

2.4.3梅森增益公式及其应用

本章小结

习题

第3章线性系统的时域分析法

3.1一阶系统的时域分析

3.1.1一阶系统描述

3.1.2其他典型输入信号的一阶系统输出响应

3.2二阶系统的时域分析

3.2.1二阶系统描述

3.2.2二阶欠阻尼系统的性能指标计算

3.3控制系统的稳定性分析

3.3.1稳定的基本概念

3.3.2劳斯稳定判据

3.4控制系统的稳态误差分析

3.4.1误差与稳态误差的关系

3.4.2控制系统类型

3.4.3给定信号作用下的稳态误差

本章小结

习题

第4章线性系统的根轨迹法

4.1根轨迹的基本概念

4.1.1根轨迹的概念

4.1.2根轨迹方程

4.2根轨迹绘制的基本法则

4.2.1绘制根轨迹的基本法则

4.2.2闭环系统零点、极点与时间响应性能的关系

本章小结

习题

第5章线性系统的频率特性法

5.1频率特性的概述

5.1.1频率特性的基本概念

5.1.2开环传递函数典型环节的分解

5.1.3系统典型环节与开环频率特性的对应关系

5.2典型环节及系统开环频率特性的绘制

5.2.1典型环节的极坐标图

5.2.2系统开环极坐标图的绘制

5.2.3典型环节的对数坐标图

5.2.4系统开环对数坐标图的绘制

5.3频率域线性系统的稳定性分析

5.3.1奈氏判据中的相关概念

5.3.2奈奎斯特稳定判据的简化描述

5.3.3奈奎斯特稳定判据在频率特性曲线上的应用

5.4频率域线性系统的相对稳定性分析

5.4.1幅值穿越频率和相位裕量

5.4.2相位穿越频率和幅值裕量

5.4.3开环对数幅频特性曲线与系统性能之间的关系

本章小结

习题

第6章线性离散系统的分析

6.1线性离散系统的概述

6.1.1线性离散系统的基本结构

6.1.2线性离散系统的相关概念

6.2z变换理论

6.2.1z变换的描述

6.2.2z变换的求解方法

6.2.3z反变换

6.2.4z变换在求解差分方程中的应用

6.3离散系统的数学模型

6.3.1脉冲传递函数的定义

6.3.2脉冲传递函数的求解

6.3.3开环系统的脉冲传递函数

6.3.4闭环系统的脉冲传递函数

6.3.5脉冲传递函数与差分方程的相互转换

6.4离散系统的动态性能分析

6.5离散系统的稳定性分析

6.5.1z域内离散系统稳定的充分必要条件

6.5.2离散系统的劳斯稳定判据

6.6离散系统的稳态误差分析

6.6.1单位阶跃信号输入时系统的稳态误差

6.6.2单位斜坡信号输入时系统的稳态误差

6.6.3单位加速度信号输入时系统的稳态误差

本章小结

习题

第7章非线性系统分析

7.1非线性系统的基本概念

7.1.1非线性系统的数学描述

7.1.2非线性特性的分类

7.1.3非线性系统的特点

7.2非线性系统的描述函数分析法

7.2.1描述函数的基本概念

7.2.2求解非线性特性的描述函数

7.2.3用描述函数法分析非线性系统的稳定性

7.3非线性系统的相平面分析法

7.3.1相平面的基本概念

7.3.2绘制相轨迹

7.3.3用相平面法分析非线性系统

本章小结

习题

第8章线性系统的状态空间分析与综合

8.1线性系统的状态空间描述

8.1.1线性系统状态空间描述的基本概念

8.1.2线性定常系统状态空间表达式的建立方法

8.1.3线性定常系统状态方程的解

8.1.4状态空间表达式与系统传递函数矩阵的关系

8.2线性系统的可控性与可观性

8.2.1可控性与可观测性的基本概念

8.2.2线性定常系统可控性和可观性的判断方法

8.3线性定常系统的线性变换

8.3.1线性定常系统状态空间表达式的线性变换

8.3.2线性定常系统结构分解

8.4线性定常系统的反馈结构及状态观测器

8.4.1线性定常系统的反馈结构及其对系统特性的影响

8.4.2线性定常系统的极点配置

8.4.3全维状态观测器及其设计

8.5李雅普诺夫稳定性分析

8.5.1基本概念

8.5.2线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析

本章小结

习题

下篇

第9章自动控制理论的综合

9.1线性系统数学模型的建立方法

9.1.1原理描述

9.1.2举例说明数学模型的建立及求解方法

9.2线性系统时域分析法的应用

9.2.1由系统结构图或响应曲线确定传递函数或系统中的参数

9.2.2确定系统的传递函数并分析稳定性和稳态误差等情况

9.2.3由开环传递函数确定主导极点与闭环系统动态特性的关系

9.2.4由状态反馈矩阵求解与时间t=0有关的系数矩阵A

9.3线性系统根轨迹法的应用

9.4线性系统频率特性法的应用

9.4.1线性系统频率特性法描述

9.4.2线性系统频率特性与传递函数的关系

9.5线性离散控制系统的设计及应用

9.6非线性系统的设计及应用

9.6.1用描述函数法分析非线性系统

9.6.2用相平面法分析非线性系统

9.6.3非线性系统性能分析

9.7状态空间法设计及应用

9.7.1确定状态空间表达式的相关问题

9.7.2给定状态空间表达式或传递函数确定相关问题

9.7.3设计状态反馈及状态反馈矩阵K

9.7.4已知状态空间表达式设计全维状态观测器

9.7.5线性离散系统的状态空间表达式求解及稳定性分析

9.8控制系统的综合校正与设计

9.8.1基础知识介绍

9.8.2由已知条件对系统进行校正实现

附录A

参考文献

◎ 部分章节

上篇第1章自动控制的一般概念本章将简要介绍有关自动控制的一般概念、自动控制系统的组成和分类、控制系统的性能指标等内容。1.1自动控制的基本概念与方式1.1.1自动控制的基本概念在现代科学技术的许多领域，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制就是指在没有人直接参与的情况下，控制装置或者控制器能够按照预先设定的规律使机器、设备或者生产过程（统称为被控对象）的某个工作状态或者参数（即控制量）自动地运行。例如，家用的全自动洗衣机、电冰箱、电暖气等都是常见的小型自动控制系统； 电阻炉温度控制系统可以按照给定的温度值自动地保持炉内温度恒定； 人造卫星可以准确地进入预定轨道运行并能被收回等，这些都体现出自动控制的优越性及特点。自动控制技术具有节省人力，提高系统控制精度，完成人工控制系统无法完成的工作等特点，广泛应用于工业、农业、交通、国防、宇航、社会等领域，自动控制已经成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分。下面举例说明自动控制的基本概念。例1-1恒压人工控制系统如图1-1所示。图1-1恒压人工控制系统此系统的控制任务是保持发电机输出电压U不变。在发电机转速n不变的情况下，发电机输出电压的大小受负载大小变化的影响； 调节电位器R的触点位置，可以改变发电机输出电压的大小。采用人工操纵，靠人眼观察电压表显示的数据变化，用手不断调节电位器触点位置，以保持发电机输出电压大小不变，显然，这种人工控制方式的控制实时性和精度都难以满足要求。例1-2恒压自动控制系统如图1-2所示。图1-2恒压自动控制系统给定参考电压为U0,将电压表测量出来的电压U和U0作比较，则放大器输入端电压为ΔU=U-U0,经过放大器调整执行电机SD两端电压大小，带动了电位器R触点的位置发生相应变化，继而调节发电机输出电压的大小。只要ΔU≠0，系统就开始自动调节直到发电机输出电压U和给定电压U0相等为止，这就实现了保持输出电压恒定的自动控制目的。采用自动控制方式来控制电压大小能使系统具有较高精度和达到实时性等要求。由上述可知，一个自动控制系统包括以下几个部分： ①被控对象； ②被控量； ③控制器； ④执行机构； ⑤给定量； ⑥检测装置。恒压自动控制系统中的被控对象是发电机，发电机的输出电压U是被控量，给定量是U0。为方便分析自动控制系统，一般采用结构框图来表示各个部件之间的结构关系。恒压自动控制系统的结构框图如图1-3所示。图1-3恒压自动控制系统结构框图从图1-3可以看出，恒压自动控制系统是典型的负反馈控制系统。在自动控制系统中负反馈系统是将被控量以负反馈的形式与给定量进行比较,并利用偏差来不断地消除其系统运行的偏差。因此，为了使所设计的自动控制系统满足工程实际的需要，必须研究系统的结构和参数与系统性能之间的关系，这也是自动控制原理的主要任务。1.1.2自动控制系统的基本控制方式控制系统的类型很多，它们的结构类型和所完成的任务各不相同。控制系统中最常见的两种控制方式是开环控制和闭环控制，这两种控制方式的组合就是复合控制方式。1. 开环控制如图1-4所示,控制器与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为开环控制，其显著的特点是给定一个输入量,就有一个输出量与之对应，输出量的改变不会对输入量发生影响。例1-3图1-5是直流电动机转速开环控制系统，对应的系统结构框图如图1-6所示。在此系统中，给定电压ug经放大后得到电枢电压ua，电枢电压ua对应电机转速n； 若改变ug可以得到不同的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制，输出量和输入量之间不存在反馈回路。图1-4开环控制系统图1-5直流电动机转速开环控制系统图1-6直流电动机转速开环控制系统结构框图开环控制方式的特点是结构简单、系统稳定性好、调试方便。但如果在控制过程中受到来自系统外部的各种扰动因素时，不能自动进行补偿，抗干扰性能差、控制精度较低，这就大大限制了它的应用范围。开环控制一般只能用于对控制性能要求不高的场合。2. 闭环控制图1-7闭环控制系统控制器与被控对象之间不但具有顺向作用，还有反向联系，即系统中存在着被控量对控制过程的影响，这种控制方式称为闭环控制。闭环控制常被称为反馈控制，相应的控制系统称为闭环（或反馈）控制系统，如图1-7所示。例1-4图1-8是直流电动机转速闭环控制系统，对应的系统结构框图如图1-9所示。其中测速发电机是速度检测元件，其作用是将直流电动机实际转速转换成与转速成比例的电压信号。图1-8直流电动机转速闭环控制系统图1-9直流电动机转速闭环控制系统结构框图假设系统现正在某一转速n状态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大）而引起转速下降时，系统就会自动地产生如下的调整过程： Mc↑→n↓→uf↓→ue（ue=ug-uf）↑→ua↑→n↑从上述例子可以看出，闭环控制系统的反馈原理就是将系统的被控量以负反馈的形式与给定量进行比较,并利用偏差来不断地消除其系统运行的偏差。因此，闭环控制系统具有如下的特点。（1） 抑制扰动能力强。能抑制内部或者外部扰动对系统的影响，可采用低成本元件构成高精度系统，与开环控制相比，对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性和控制精度，使得闭环控制系统在控制工程中得到了广泛的应用。（2） 系统结构复杂，增加了调试难度。引入反馈会增加系统的复杂性，如果闭环系统参数的选取不适当，系统可能会产生振荡，甚至失去稳定性而导致无法正常工作。这也是自动控制理论和系统设计必须解决的重要问题。1.2自动控制系统的分类自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种。1. 按照描述系统性能的动态方程分按照描述系统性能的动态方程的不同，可分为线性系统和非线性系统。若一个元件的输入与输出特性是线性的，则称该元件为线性元件，否则称为非线性元件。若构成一个系统中的所有元件都是线性元件，则该系统称为线性系统； 若构成系统的元件中有一个或一个以上是非线性元件，则该系统称为非线性系统。1) 线性系统线性系统可用线性微分方程（或差分方程）描述，即其各项系数均与变量无关。(1) 线性定常连续系统微分方程式的一般形式为a0dndtnc(t)+a1dn-1dtn-1c(t)+…+an-1ddtc(t)+anc(t)=b0dmdtmr(t)+b1dm-1dtm-1r(t)+…+bm-1ddtr(t)+bmr(t)(1-1)式中，c(t)表示系统的被控量,r(t)表示系统的给定量。① 当系数a0,a1,…,an,b0,b1,…,bm是常数时,该系统称为线性定常系统，这类系统是本书主要讨论的对象。② 当系数a0,a1,…,an,b0,b1,…,bm随时间变化时,该系统称为线性时变系统。(2) 线性定常离散系统差分方程式的一般形式为a0c(k+n)+a1c(k+n-1)+…+an-1c(k+1)+anc(k)=b0r(k+m)+b1r(k+m-1)+…+bm-1r(k+1)+bmr(k)(1-2)式中,c(k)表示输出序列,r(k)表示输入序列，a0,a1,…,an,b0,b1,…,bm为常数。2) 非线性系统非线性系统可用非线性微分方程（或差分方程）描述。非线性微分方程（或差分方程）的特点是系数与变量有关,或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。例如y¨(t)+y(t)y·(t)+y2(t)=r(t)y(t)=r(t)cos ωt(1-3)2. 按照系统中信号在传递过程中的特点分按照系统中信号在传递过程中的不同特点，可分为连续系统和离散系统。从系统中的信号来看，若系统各部分的信号都是时间t的连续函数，即整个过程中都是模拟信号，则称此系统为连续系统。若系统中有一处或者多处信号为时间t的离散函数，即此处信号变成脉冲信号或者数字信号，则称此系统为离散系统。计算机控制系统、采样系统均是离散系统，其表现形式如图1-10所示。图1-10计算机控制系统3. 按照系统输入信号的变化规律分按照系统输入信号的不同变化规律，可分为恒值系统、随动系统和程序控制系统。（1） 恒值系统该类系统的输入信号是一个常数。系统受到扰动后，被控量偏离理想值而出现偏差，利用偏差消除偏差可使被控量调整到给定值或接近给定值。上述的恒压控制系统、恒转速闭环控制系统均属于恒值系统。（2） 随动系统这类系统的输入信号是未知的时间函数，系统能使被控量准确、快速地跟踪输入信号的变化。随动系统又称伺服系统。火炮自动瞄准系统、船舶自动舵均属此类系统。（3） 程序控制系统这类系统的输入信号是已知的时间函数，并要求被控量随之变化。例如机械加工中的数控伺服系统及一些自动化生产线等都属于该类系统范畴。此外，根据系统控制元件的类型，还可分为机电控制系统、液压控制系统、气动系统以及生物系统等； 根据系统的功能作用，可分为温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等。1.3对控制系统性能的基本要求及评价1.3.1对控制系统的基本要求自动控制理论是研究自动控制共同规律的一门学科。尽管自动控制系统有不同的类型，对每种系统也有不同的特殊要求。但总的说来，当各类系统在已知系统结构和参数的情况下，都是希望所设计的控制过程尽量接近理想的控制过程。因此，在工程上，对每一类系统的被控量随时间变化的全过程提出的基本要求都是一样的，可以归结为稳定性、快速性和准确性这三个方面，即稳、快、准，并用这三个方面来评价自动控制系统的总体精度和设计水平。1. 稳定性稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件,线性控制系统的稳定性是由系统的结构和参数决定的,与外界因素和初始条件无关。一个稳定的控制系统是指系统在受到外作用后，经过一段时间，其被控量可以达到某一个稳定状态，如图1-11所示； 如果被控量最终是发散的，则系统是不稳定的，如图1-12所示； 若被控量最终是等幅振荡的，即系统处于临界稳定状态，则系统也属于不稳定系统； 不稳定系统是无法正常工作的。图1-11稳定系统图1-12不稳定系统另外，在实际生产中使用的系统不但要求其运行稳定，还要求被控量围绕给定值摆动的幅度要尽量小以及摆动的次数尽量少，即系统平稳性好，这样才能使系统满足实际生产的要求。2. 快速性在实际控制系统中，由于受构成系统元件的特性（储能元件或惯性元件等）所限，当给定量变化时，被控量不可能立即跟随其变化，而是存在一定的时间延迟，这个过程被称为系统的动态过程（或称过渡过程），它反映了系统的被控量随时间变化的全过程。图1-13控制系统的快速性及稳态精度示意图快速性是用来表征过渡过程时间长短的指标，即从系统受到外作用r(t)开始到输出响应c(t)可以达到某种稳定状态之间的时间间隔ts，如图1-13所示，过渡过程越短，说明系统快速性越好。快速性表明了系统被控量c(t)对给定量r(t)响应快慢的程度，系统响应越快，说明系统的输出信号c(t)复现输入信号r(t)的能力越强。3. 准确性准确性是衡量系统稳态精度的重要性能指标，通常用输入信号 r(t)与输出响应c(t)的终值之间的差值 ess来表征，如图1-13所示。若系统的最终误差ess=0，则该系统称为无差系统，如图1-14所示； 否则称为有差系统，如图1-15所示。图1-14无差系统图1-15有差系统1.3.2对控制系统性能的评价衡量控制系统的稳、快、准等性能指标是否满足系统的设计要求必须有一定的参考标准，即需要控制系统性能的评价指标。控制系统性能的评价指标可分为动态性能指标和稳态性能指标，它们是用来衡量控制系统输出量随着时间变化的基本标准，因此要完成对控制系统性能的评价，首先需要了解系统的输入信号（即典型的外作用）及其解析表达式，再通过输入信号和输出信号之间的关系来分析系统的输出量随着时间变化的各种规律。1. 典型外作用一般地说，大多数控制系统输入信号都具有随机性，为便于用统一的方法研究和分析系统的性能，通常选用几种确定性的函数作为典型外作用。目前，在控制工程设计中常用的典型输入信号有： 阶跃函数、斜坡函数(又称速度函数)、加速度函数（又称抛物线函数）、单位脉冲函数和正弦函数，如表1-1所示。表1-1典型输入信号名称时域表达式复域表达式阶跃函数R·1(t),t≥0R/s斜坡函数R·t,t≥0R/s2加速度函数R·t2/2,t≥0R/s3单位脉冲函数δ(t),t≥01正弦函数Asin ωtAω/(s2+ω2)这些输入信号都是简单的时间函数，便于数学分析和实验研究。在这里只详细列出本篇常用的三种确定性函数： 阶跃函数、斜坡函数和正弦函数。1） 阶跃函数阶跃函数的数学表达式为f(t)=0,t<0R,t≥0(1-4)式(1-4)表示一个在t=0时刻出现幅值为R的阶跃函数，如图1-16(a)所示。例如，电网电压的突然接通，从0V增加到10V，便可视为此时该系统处于阶跃函数输入信号作用下。当R=1时，称f(t)为单位阶跃函数，记作1(t)。图1-16典型外作用(a) 阶跃函数； (b) 斜坡函数； (c) 正弦函数2） 斜坡函数斜坡函数的数学表达式为f(t)=0,t<0Rt,t≥0(1-5)式(1-5)表示一个从t=0时刻开始，出现以恒定速率R随时间变化的速度函数，如图1-16(b)所示。例如，雷达-高射炮防空系统，当雷达跟踪的目标以恒定速率飞行时，便可视为系统受到斜坡函数形式的外作用。当R=1时，称f(t)为单位斜坡函数，记作t·1(t)。3） 正弦函数正弦函数的数学表达式为f(t)=Asin(ωt+φ)(1-6)式中，A为正弦函数的振幅； ω为正弦函数的角频率； φ为初始相角。如图1-16(c)所示。