本书是为满足新工科建设需求,依据高等院校自动控制原理课程教学大纲,立足于新工科人才培养,精选各章内容编写的本科教材。全书共分为8章,全面介绍了控制系统在时域和复频域中的数学模型及其结构图和信号流图;系统阐述了线性控制系统的时域分析法、根轨迹法、频域分析法以及校正和设计方法;在非线性控制系统分析方面,给出了相平面和描述函数两种常用的分析方法;详细讨论了线性离散系统的基本理论、分析和设计方法等。
本书可作为自动化专业以及电子信息工程、电气工程及其自动化、测控技术与仪器、轨道交通信号与控制、工业机器人控制等相关专业的教材或教学参考书,也可供有关专业的师生和工程技术人员参考。
目录
前言(ⅰ)
第1章自动控制的一般概念(1)
1.1自动控制理论发展概述(1)
1.2自动控制和自动控制系统的基本概念(3)
1.2.1控制(3)
1.2.2人工控制(4)
1.2.3自动控制(5)
1.2.4开环控制和闭环控制(5)
1.3自动控制系统的分类(6)
1.3.1恒值系统、随动系统和程序控制系统(7)
1.3.2定常系统和时变系统(7)
1.3.3连续系统和断续系统 (7)
1.3.4有差系统和无差系统(8)
1.4闭环系统的组成及性能要求(9)
1.4.1闭环系统举例(9)
1.4.2闭环系统的组成(11)
1.4.3对控制系统的一般要求(12)
1.5本课程的研究内容(13)
小结(13)
习题(14)
第2章控制系统的数学模型(17)
2.1元件和系统运动方程的建立(17)
2.2运动方程的线性化(21)
2.2.1小偏差线性化的基本概念(21)
2.2.2小偏差线性化举例(22)
2.2.3注意事项(25)
2.3传递函数(26)
2.3.1传递函数的定义(26)
2.3.2传递函数的运算(29)
2.4控制系统的传递函数(31)
2.4.1系统的开环传递函数(32)
2.4.2被控制信号c(t)对输入信号r(t)的闭环传递函数(32)
2.4.3被控制信号c(t)对扰动信号f(t)的闭环传递函数(33)
2.4.4偏差信号e(t)对输入信号r(t)的闭环传递函数(34)
2.4.5偏差信号e(t)对扰动信号f(t)的闭环传递函数(35)
2.5控制系统的方框图及其简化(36)
2.5.1方框图的基本概念(36)
2.5.2绘制方框图的步骤及方框图的特点(36)
2.5.3方框图的简化(38)
2.6信号流图(42)
2.6.1信号流图中使用的术语(42)
2.6.2信号流图的性质(43)
2.6.3信号流图的运算法则(44)
2.6.4控制系统的信号流图(45)
2.6.5信号流图的梅森增益公式(47)
2.7脉冲响应(50)
2.7.1基本概念(50)
2.7.2脉冲响应函数与闭环传递函数的关系(51)
2.7.3脉冲响应的宽度与系统性能的关系(52)
2.7.4脉冲响应的用途(53)
小结(53)
习题(53)
第3章线性系统的时域分析(58)
3.1典型输入信号(58)
3.1.1典型输入信号(58)
3.1.2为什么选这五种信号作为典型信号(60)
3.1.3单位阶跃信号引起重视的原因(60)
3.2一阶系统的时域分析(61)
3.2.1一阶系统的数学模型(61)
3.2.2一阶系统的阶跃响应(61)
3.3二阶系统的时域分析(63)
3.3.1二阶系统传递函数的标准形式(63)
3.3.2二阶系统的阶跃响应(64)
3.3.3欠阻尼二阶系统的性能指标(67)
3.3.4初始条件不为零时二阶系统的响应过程(70)
3.3.5具有闭环零点时二阶系统的单位阶跃响应(73)
3.4高阶系统的时域分析(74)
3.4.1三阶系统的单位阶跃响应(74)
3.4.2高阶系统的响应分析(77)
3.5线性系统的稳定性(78)
3.5.1稳定性的定义(78)
3.5.2稳定的条件(78)
3.5.3劳斯（Routh）稳定判据(79)
3.6反馈系统的误差(82)
3.6.1误差(82)
3.6.2稳态误差与动态误差(83)
3.6.3误差与偏差(84)
3.7反馈系统的稳态误差计算(84)
3.7.1稳态误差的计算(84)
3.7.2误差系数(88)
3.7.3消除反馈系统稳态误差的措施(93)
3.8复合控制的误差分析(98)
3.8.1复合控制的基本概念(98)
3.8.2顺馈补偿(99)
3.8.3复合控制的误差及稳定性分析(102)
3.9基于MATLAB的控制系统时域分析(104)
3.9.1利用MATLAB绘制控制系统在各种输入下的(104)
3.9.2利用MATLAB求出系统阶跃响应的动态性能指标(105)
3.9.3利用MATLAB分析系统的稳定性(106)
小结(107)
习题(108)
第4章线性系统的根轨迹法(118)
4.1根轨迹法的基本概念(118)
4.1.1根轨迹的概念(118)
4.1.2根轨迹与系统的性能(119)
4.1.3根轨迹方程(120)
4.2根轨迹绘制的基本法则(122)
4.3广义根轨迹(137)
4.3.1参数根轨迹(137)
4.3.2零度根轨迹(138)
4.4基于MATLAB的系统根轨迹分析(142)
4.4.1根轨迹的绘制(142)
4.4.2等线与等n圆(144)
4.4.3线性系统的根轨迹分析(147)
4.4.4增加开环零、极点对根轨迹的影响(150)
小结(155)
习题(155)
第5章线性系统的频域分析(158)
5.1频率特性的一般概念(158)
5.1.1线性定常系统对正弦输入的响应(158)
5.1.2频率特性的求法(160)
5.1.3频率特性的物理意义(161)
5.1.4频率特性的几何表示(161)
5.2系统的开环幅相频率特性图(162)
5.2.1幅相频率特性图的基本概念(162)
5.2.2典型环节的幅相频率特性(163)
5.2.3幅相频率特性图的大致形状(167)
5.2.4幅相频率特性的画法(169)
5.3对数频率特性(171)
5.3.1对数频率特性伯德图(171)
5.3.2对数幅相图尼柯尔斯图(181)
5.4开环系统与闭环系统的频率响应(182)
5.4.1开环系统的频率响应(182)
5.4.2闭环系统的频率响应(188)
5.5奈奎斯特稳定判据及其应用(197)
5.5.1奈奎斯特稳定判据(198)
5.5.2对数奈氏判据(205)
5.5.3应用奈氏判据分析闭环系统稳定性举例(206)
5.6控制系统的相对稳定性(208)
5.6.1相对稳定性的基本概念(209)
5.6.2系统的相对稳定性分析举例(211)
5.7频域指标与时域指标间的关系(213)
5.7.1闭环幅频特性与时域稳态误差之间的关系(213)
5.7.2频域动态性能指标与时域动态指标的关系(216)
小结(220)
习题(221)
第6章控制系统的综合与校正(226)
6.1概述(226)
6.1.1几个基本概念(226)
6.1.2输入信号与控制系统带宽(227)
6.1.3基本控制规律分析(228)
6.2超前校正(232)
6.2.1超前校正及超前校正元件的特性(232)
6.2.2超前校正举例(235)
6.2.3超前校正小结(240)
6.3滞后校正(241)
6.3.1滞后校正及滞后校正元件的特性(241)
6.3.2滞后校正举例(242)
6.3.3滞后校正小结(245)
6.4滞后超前校正(246)
6.4.1滞后超前校正及滞后超前校正元件的特性(246)
6.4.2滞后超前校正举例(247)
6.4.3滞后超前校正小结(250)
6.5希望对数频率特性(250)
6.5.1几个基本概念(250)
6.5.2希望特性校正举例(251)
6.5.3希望特性校正小结(254)
6.6反馈校正(254)
6.6.1反馈作用的特点(255)
6.6.2反馈校正的简化方框图(257)
6.6.3反馈校正举例(258)
6.6.4反馈环节的实现(261)
6.6.5小结(262)
6.7根轨迹法校正(262)
6.7.1串联超前校正(263)
6.7.2串联滞后校正(265)
6.7.3串联滞后超前校正(267)
小结(270)
习题(270)
第7章非线性控制系统分析(277)
7.1非线性控制系统一般分析(277)
7.1.1典型的非线性特性(278)
7.1.2非线性控制系统的特点(280)
7.1.3非线性系统的分析与设计方法(282)
7.2相平面法(283)
7.2.1相平面的基本概念(283)
7.2.2相轨迹的特性(283)
7.2.3相轨迹的绘制(285)
7.3二阶系统的相平面分析(290)
7.3.1奇点及奇点的类型(291)
7.3.2奇线及奇线的极限环的存在形式(294)
7.3.3非线性系统的相平面分析(296)
7.4描述函数法(303)
7.4.1描述函数的基本概念(303)
7.4.2典型非线性特性的描述函数(305)
7.4.3非线性系统结构图的等效变换(309)
7.5非线性系统的描述函数分析(312)
7.5.1变增益线性系统的稳定性分析(312)
7.5.2非线性系统的稳定性分析(312)
7.6基于MATLAB的非线性控制系统分析(317)
小结(322)
习题(323)
第8章采样控制系统(328)
8.1采样控制系统概述(328)
8.2信号采样过程和采样定理(329)
8.2.1采样过程与采样信号的数学描述(329)
8.2.2采样定理(331)
8.3信号保持(333)
8.3.1零阶保持器(333)
8.3.2一阶保持器(335)
8.4Z变换理论(335)
8.4.1Z变换定义(335)
8.4.2Z变换方法(336)
8.4.3Z变换性质(338)
8.4.4逆Z变换(340)
8.4.5Z变换解差分方程(342)
8.5脉冲传递函数(344)
8.5.1脉冲传递函数的概念(344)
8.5.2开环系统脉冲传递函数(347)
8.5.3闭环脉冲传递函数(348)
8.6采样系统分析(351)
8.6.1稳定性分析(351)
8.6.2稳定性判据(353)
8.6.3动态特性分析(356)
8.6.4稳态误差分析(359)
8.7采样系统的数字控制器设计(362)
8.7.1最少拍采样控制系统的设计(362)
8.7.2数字PID控制器(366)
8.8基于MATLAB的采样控制系统分析(371)
小结(376)
习题(377)
附录Ⅰ自动控制原理专业词汇中英文对照表(380)
附录Ⅱ常用校正装置及其特性(382)
附录Ⅲ拉氏变换表与相关性质(386)
附录Ⅳ串联校正的MATLAB应用程序(388)
参考文献(398)
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