自動控制原理

該書系統、全面地介紹了自動控制的基礎理論與應用。全書共9章，主要內容有：自動控制系統的基本概念和結構、微分方程、傳遞函數、結構圖模型、連續系統時域分析、復域分析與校正、頻域分析方法與校正、離散控制基礎、狀態空間分析和設計方法、非線性控制理論等。本書以經典控制、現代控制理論為主，兼顧理論聯繫實際，並給出一些工程應用內容。各章均給出了相應的習題，並給出了部分實驗實例。

為配合國家卓越工程師的培養目標，突出控制理論的工程實踐指導性，本書在進行理論內容講解的基礎上，引入實際的機牀導軌伺服控制系統實驗平台，分章逐步地對該系統進行分析與設計，大大強化了本書的理論與工程實踐的結合性。本書可作為高等院校“卓越工程師培養計劃”的本科教材，也可作為高等院校和職業技術學院的自動化、電氣工程自動化、機械工程及其自動化、儀器儀表、電子、通信、機電一體化等本、專科專業的相關課程的教材，還可作為廣大從事自動控制系統設計的技術人員的參考手冊。 ^[1] 

第1章緒論

1.1歷史的回顧

1.2自動控制系統的基本概念

1.3自動控制系統的基本類型

1.3.1開環、閉環與複合控制系統

1.3.2連續系統與離散系統

1.3.3線性系統與非線性系統

1.3.4定常控制系統與時變控制系統

1.3.5恆值控制系統、隨動控制系統和程序控制系統

1.4控制系統示例

1.4.1機牀導軌的伺服控制系統

1.4.2機牀導軌的伺服控制系統的基本原理

1.5對控制系統性能的基本要求

1.6本書內容的安排

本章小結

習題

第2章控制系統的數學模型

2.1系統的數學模型的概念與建立方法

2.2控制系統的時域數學模型

2.2.1系統的微分方程描述

2.2.2機牀導軌的伺服控制系統的運動描述

2.2.3非線性微分方程的線性化

2.3傳遞函數

2.3.1傳遞函數的定義

2.3.2傳遞函數的表達形式

2.3.3典型環節的傳遞函數

2.3.4機牀導軌的伺服控制系統的傳遞函數

2.4結構圖

2.4.1結構圖的建立

2.4.2機牀導軌的伺服控制系統結構圖

2.4.3結構圖的等效變換

2.5信號流圖

2.5.1信號流圖的定義

2.5.2信號流圖的常用術語

2.5.3系統的信號流圖及繪製方法

2.5.4信號流圖的變換法則與簡化

2.5.5梅森公式

2.6反饋控制系統的傳遞函數

2.7MATLAB軟件介紹及Simulink系統建模方法

2.7.1MATLAB軟件介紹

2.7.2控制系統數學模型的種類

2.8用MATLAB求機牀導軌的伺服控制系統的傳遞函數

本章小結

習題

第3章時域法

3.1引言

3.2控制系統的時域響應

3.3時域性能指標

3.3.1典型輸入信號

3.3.2動態性能指標

3.3.3穩態性能指標

3.4時域分析法

3.4.1穩定性分析

3.4.2動態特性分析

3.4.3穩態特性分析

3.5線性系統的基本控制規律

3.5.1控制器的基本控制律——PID控制

3.5.2控制器控制律的實現

3.6時域法的應用

3.6.1機牀導軌伺服控制系統的理論分析

3.6.2機牀導軌伺服控制系統的Simulink分析

3.6.3PID調節器的設計實例

本章小結

習題

第4章根軌跡法

4.1引言

4.2根軌跡法的基本概念

4.2.1根軌跡方程

4.2.2根軌跡方程的幾何意義

4.3繪製根軌跡的基本規則

4.4廣義根軌跡

4.4.1參數根軌跡

4.4.2零度根軌跡

4.5根軌跡的分析法

4.5.1由根軌跡確定系統的閉環極點

4.5.2用主導極點來估算系統的性能

4.5.3利用MATLAB軟件繪製根軌跡法

4.6根軌跡的綜合法

4.6.1根軌跡形狀的改變

4.6.2串聯校正

4.7根軌跡法的應用

4.7.1利用MATLAB繪製實際系統的根軌跡

4.7.2根軌跡綜合法的應用

本章小結

習題

第5章頻域法

5.1引言

5.2頻率特性

5.2.1頻率特性的基本概念

5.2.2頻率特性的求取

5.2.3頻率特性的圖示方法

5.3系統的開環頻率特性

5.3.1典型環節的頻率特性

5.3.2開環頻率特性的繪製

5.3.3由伯德圖確定傳遞函數

5.3.4頻率特性的實驗確定法

5.4系統的閉環頻率特性

5.4.1單位反饋系統的閉環頻率特性

5.4.2等M圓圖與等N圓圖

5.4.3尼科爾斯圖

5.4.4閉環頻域指標

5.5頻率響應分析法

5.5.1穩定性分析

5.5.2穩態特性和動態特性分析

5.5.3應用MATLAB進行頻域分析

5.6頻率響應綜合法

5.6.1串聯校正

5.6.2反饋校正

5.7頻域法的應用

5.7.1頻域法的實例分析

5.7.2串聯校正分析法的應用

本章小結

習題

第6章離散控制系統

6.1採樣過程

6.1.1信號的採樣

6.1.2信號的恢復與保持

6.2Z變換

6.2.1Z變換與Z反變換

6.2.2線性定常離散系統的差分方程及其求解

6.2.3離散控制系統的脈衝傳遞函數

6.2.4開環和閉環脈衝傳遞函數

6.2.5應用MATLAB建立離散系統的數學模型

6.3離散控制系統的特性分析

6.3.1S平面到Z平面的映射

6.3.2離散控制系統穩定的充要條件

6.3.3線性離散系統的穩定判據

6.3.4離散控制系統的過渡過程分析

6.3.5離散控制系統的穩態誤差分析

6.3.6利用MATLAB進行離散系統分析

6.4離散控制系統的根軌跡設計法

6.5離散控制系統的頻域設計法

6.6等效模擬控制器綜合法與數字PID控制器

6.6.1等效模擬控制器綜合法的基本思路

6.6.2控制器傳遞函數離散化的方法

6.6.3數字PID算法

6.6.4機牀導軌伺服系統的等效模擬控制器綜合

本章小結

習題

第7章線性系統的狀態空間分析方法

7.1系統的狀態空間描述

7.1.1狀態與狀態空間

7.1.2狀態空間表達式

7.2狀態空間表達式與傳遞函數之間的關係

7.3狀態方程的線性變換

7.3.1線性變換

7.3.2系統矩陣的對角化

7.4線性定常系統狀態方程的解

7.4.1線性定常連續系統狀態方程的求解

7.4.2非齊次狀態方程的解

本章小結

習題

第8章線性系統的狀態空間綜合法

8.1系統的能控性與能觀測性

8.1.1線性定常連續系統的能控性

8.1.2線性定常連續系統的能觀測性

8.1.3對偶性原理

8.1.4能控規範型與能觀規範型

8.2線性系統的結構分解

8.2.1系統按能控性分解

8.2.2系統按能觀測性分解

8.2.3線性定常系統結構的規範分解

8.2.4傳遞函數中的零極對消

8.3穩定性與李雅普諾夫穩定判據

8.3.1與穩定性相關的基本概念

8.3.2李雅普諾夫穩定性的定義

8.3.3李雅普諾夫第一法

8.3.4李雅普諾夫第二法

8.4線性定常系統的極點配置

8.4.1反饋控制系統的基本結構及設計

8.4.2極點配置

8.5狀態觀測器及其實現

8.5.1全維觀測器的設計思想

8.5.2反饋矩陣的確定

8.6帶觀測器的狀態反饋系統

8.6.1帶觀測器的狀態反饋系統結構

8.6.2分離性原理

本章小結

習題

第9章非線性系統的分析

9.1控制系統的典型非線性

9.1.1幾種常見的控制系統的典型非線性特性

9.1.2典型非線性特性的特點及綜合方法

9.2相平面法

9.2.1相平面的基本概念

9.2.2相軌跡的繪製

9.2.3用相平面圖求系統運動的時間響應

9.2.4非線性控制系統的相平面分析

9.2.5基於MATLAB的相軌跡圖繪製

9.3描述函數法

9.3.1描述函數法的基本概念及基本思想

9.3.2描述函數

9.3.3典型非線性特性的描述函數

9.3.4組合非線性特性的描述函數

9.3.5用描述函數法分析非線性系統

本章小結

習題

附錄A拉普拉斯變換與反變換

附錄B機牀導軌的伺服控制系統實驗平台

參考文獻 ^[1] 

在本書編寫過程中，作者結合多年的教學與科研工作經驗，立足基礎性、系統性、實用性、工程性，敍述簡潔、層次分明，做到理論與應用並重，在立足經典控制的基礎上對現代控制理論進行了講解。為便於學生更好地理解書中的基本知識和概念，每章末都附有習題。全書由葛一楠統籌安排，並編寫全書各章節機牀導軌相關知識的全部內容；喻曉紅統稿並編寫第1、2、6~9章及附錄；樊雲編寫第3~5章；謝虹完成與本書相對應的機牀導軌伺服控制系統實驗平台的製作以及參數的確定與部分相關內容的編寫；唐毅謙教授對全書內容進行審定並編寫部分內容。 ^[2]