自動控制理論

《自動控制理論》：高等院校精品課程系列教材

《自動控制理論》基於系統的輸入/輸出響應，論述反饋控制原理及其改善系統動態過程和處理系統不確定性的方法。書中的許多內容體現了作者多年的教學成果。為適應信息時代的控制科學與工程的需要，《自動控制理論》在課程體系與內容上作了較大幅度的更新。全書以控制系統的穩定性為主線，圍繞“動態、建模、互聯和不確定性”4個重要概念展開。全書共7章，包括緒論、動態系統模型、連續時間線性系統的時域分析、線性控制系統的頻域分析、線性控制系統的綜合與校正、非線性控制系統分析、離散控制系統的基本理論。《自動控制理論》可作為高等院校自動化、電氣工程與信息技術專業本科生的教材，也可作為理工科其他專業學習自動控制理論的本科生、研究生和科技人員的參考書。

前言

第1章 緒論

1．1 引言

1．2 自動控制理論的建立和發展

1．3 自動控制系統的基本概念

1．3．1 自動控制問題

1．3．2 控制系統的基小術語

1．3．3 自動控制系統的構成和要素

1．3．4 開環控制與反饋控制的特點

1．3．5 對控制系統的要求

1．3．6 控制系統的分類

1．4 自動控制理論的基本概念及主要內容

1．5 小結

1．6 習題

第2章 動態系統模型

2．1 引言

2．2 系統的時域模型

2．2．1 常微分方程模型

2．2．2 非線性系統的局部線性化模型

2．2．3 “黑箱”模型

2．3 複頻域模型與傳遞函數

2．3．1 Laplace變換

2．3．2 傳遞函數

2．3．3 典型環節

2．3．4 傳遞函數的兩個標準式

2．4 結構圖及系統互聯

2．4．1 結構圖

2．4．2 系統互聯結構

2．5 信號流圖及Mason增益公式

2．5．1 信號流圖

2．5．2 Mason增益公式

2．6 閉環系統的特性

2．7 小結

2．8 習題

第3章 連續時間線性系統的時域分析

3．1 典型輸入信號及其Laplace變換

3．1．1 階躍函數

3．1．2 斜坡函數

3．1．3 拋物線函數

3．1．4 脈衝函數

3．1．5 正弦函數

3．2 線性時不變系統的時域響應

3．2．1 用線性微分方程理論分析

3．2．2 用Laplace變換分析

3．3 線性系統的穩定性

3．3．1 穩定性的概念

3．3．2 線性時不變系統穩定的條件

3．3．3 Routh-Hurwitz判據

3．4 控制系統的性能指標

3．4．1 暫態性能

3．4．2 穩態性能

3．5 典型一階系統

3．5．1 單位階躍響應

3．5．2 單位斜坡響應

3．5．3 單位加速度響應

3．6 典型二階系統

3．6．1 二階系統的數學模型

3．6．2 系統的特徵根與參量的關係

3．6．3 單位階躍響應

3．6．4 單位斜坡響應

3．6．5 改善二階系統的性能

3．7 高階系統的響應

3．7．1 高階系統單位階躍響應

3．7．2 閉環主導極點

3．8 線性系統的穩態性能

3．8．1 基本概念

3．8．2 系統類型與穩態誤差的關係

3．8．3 典型輸入的系統穩態誤差

3．8．4 擾動穩態誤差

3．9 根軌跡法

3．9．1 基本概念

3．9．2 根軌跡的幅值條件及相角條件

3．9．3 根軌跡的作圖規則

3．9．4 參數根軌跡

3．10 小結

3．11 習題

第4章 線性控制系統的頻域分析

4．1 頻率特性

4．1．1 頻率響應

4．1．2 Fourier變換和廣義頻率特性

4．2 頻率特性曲線

4．2．1 典型環節的頻率特性曲線

4．2．2 開環系統的頻率特性曲線

4．3 系統穩定性的環路分析

4．3．1 環路分析

4．3．2 相對穩定性與穩定裕度

4．4 NyquiSt穩定性判據及其應用

4．4．1 幅角原理

4．4．2 Nyquist穩定性判據

4．4．3 Nyquist穩定性判據的應用

4．4．4 模型擾動的穩定魯棒性

4．5．Bode圖及其應用

4．5．1 Bode圖的概念

4．5．2 典型環節的Bode圖

4．5．3 複雜系統開環Bode圖的漸近線描圖法

4．5．4 對數穩定判據

4．5．5 Bode幅相關係式與最小相位系統

4．5．6 穩定裕度的計算

4．6 利用開環頻率特性分析系統的性能

4．6．1 低頻漸近線與系統穩態誤差的關係

4．6．2 交越區的頻率特性與系統動態性能的關係

4．6．3 高頻段頻率特性對系統性能的影響

4．7 閉環頻域分析

4．7．1 閉環頻率特性

4．7．2 用MATLAB程序求閉環頻率特性

4．7．3 閉環頻率特性的幾個特徵量

4．7．4 閉環頻域指標

4．8 小結

4．9 習題

第5章 線性控制系統的綜合與校正

5．1 引言

5．1．1 校正方式

5．1．2 校正目標

5．1．3 校正的基本思路

5．1．4 性能指標

5．2 環路整形

5．3 串聯校正

5．3．1 串聯超前校正

5．3．2 串聯滯後校正

5．3．3 串聯滯後一超前校正

5．4 複合校正

5．5 局部反饋校正

5．6 控制系統的動態性能約束

5．6．1 過程輸入信號幅值與模型攝動邊界

5．6．2 非最小相位系統的性能約束

5．6．3 非最小相位系統的穩定補償器的存在條件

5．7 極點配置設計

5．8 小結

5．9 習題

第6章 非線性控制系統分析

6．1 非線性控制系統概述

6．1．1 控制系統中的典型非線性特性

6．1．2 非線性控制系統的特殊性

6．1．3 非線性控制系統的分析方法

6．2 相平面法

6．2．1 相平面的基本概念

6．2．2 繪製相平面圖的等傾線法

6．2．3 二階線性系統的奇點和相軌跡

6．2．4 非線性系統的相平面分析

6．2．5 相平面法分析小結

6．3 描述函數法

6．3．1 描述函數的基本內容

6．3．2 典型非線性特性的描述函數

6．3．3 非線性特性的合併

6．3．4 用描述函數法分析非線性系統

6．4 改善非線性系統性能的措施及運用非線性特性

6．4．1 改善非線性系統性能的措施

6．4．2 運用非線性特性

6．5 小結

6．6 習題

第7章 離散控制系統的基本理論

7．1 引言

7．2 信號的採樣與保持

7．2．1 採樣過程

7．2．2 理想採樣信號的數學描述

7．2．3 採樣定理及採樣週期的選取

7．2．4 信號的保持

7．3 z變換理論

7．3．1 z變換定義

7．3．2 z變換的基本定理

7．3．3 z變換的求法

7．3．4 z反變換及其求法

7．4 離散控制系統的數學描述

7．4．1 差分方程與離散傳遞函數

7．4．2 脈衝傳遞函數

7．5 離散控制系統的分析

7．5．1 s域到z域的映射

7．5．2 離散控制系統的響應

7．5．3 離散控制系統的穩定性判據

7．5．4 離散控制系統的暫態響應

7．5．5 離散控制系統的穩態誤差

7．6 線性離散控制系統的校正

7．6．1 最少拍控制

7．6．2 有限拍控制

7．6．3 離散PID控制

7．7 小結

7．8 習題

參考文獻

盧子廣，1963年生，男，廣西貴港人，1985年畢業於北京科技大學自動化系並獲學士學位，1988年畢業於北京科技大學自動化系並獲工學碩士學位，2004年畢業於清華大學電機系並獲博士學位。廣西大學電氣工程學院教授、博士生導師，中國自動化學會理事、廣西自動化學會理事長。近5年來，發表學術論文30餘篇，承擔完成國家自然科學基金項目等重要課題5項。主要研究領域：魯棒控制、自適應控制、優化控制、網絡化控制、分佈式發電、無線傳感器網絡等

自動控制理論是自動化技術的理論基礎。它提供了設計物理系統和信息系統的原理和方法，使這些系統可以自動地適應環境的變化以保持期望的性能。在過去的50多年裏，隨着控制理論取得突破性進展，以及傳感技術和計算技術的改善，使得自動化技術能更廣泛地服務於經濟和國防需求。如今，在工程系統中，自動控制已成為不可或缺的使能技術（EnablingTechnology）。

近20年來，隨着計算機、通信和傳感器技術的發展，控制原理和方法的應用機遇快速增長。自動化設備的價格日漸低廉並且無所不在，擁有嵌入式處理器、傳感器和網絡硬件的設備越來越多，這使開發具有一定智能和高性能的機器成為可能，並將大大影響我們生活的每一方面，不但包括各種生活必需品，而且包括我們生存的環境。

2000年，美國空軍科研部（Air Force Office ofScientific Research）邀請世界各國一些著名控制專家成立了一個委員會，研討21世紀控制科學的未來方向，於2002年6月發佈了一份104頁的報告——《信息爆炸時代的控制——關於控制、動力學和系統未來方向的專家小組報告》（Control in an Information Rich World：Report of the Panel on Future Directions in ControlDynamics and Systems）。該報告提出了21世紀控制科學的發展機遇與挑戰。針對控制工程教育的未來發展，專家小組建議統一和壓縮過去40年所積累的資料和體系，為專業和非專業人士開發新的課程和教科書，使控制成為大學理工專業的必修課，以滿足未來控制教育的新要求。

與此同時，我國逐步實施創新人才培養的教育改革。為培養具有創新能力的自動化人才，需要構建適應時代需求的控制科學與工程學科基礎教育及課程體系。自2003年以來，我們在自動控制理論課程的教學中，進行了重要的改革與嘗試，以控制系統的穩定性為主線，圍繞“動態、建模、互聯和不確定性”4個重要概念，在參考國外同類最新教材的基礎上，重新編寫自動控制理論講義和組織教學，取得了良好的效果。