圖書簡介：
本書共分為8章，主要內容包括自動控制的一般概念與數學基礎、連續控制系統的數學模型、時域分析法、根軌跡分析法、頻率特性法、控制系統的頻率法校正、非線性系統、采樣控制系統，其中第1章加入了自動控制原理相應的數學知識，以方便讀者理解本書內容。此外，部分章節中還介紹了MATLAB在控制系統分析與設計中的應用。
本書可作為高等工科院校自動化、電氣自動化、測控技術與儀器、環境工程、石油工程及計算機等專業的教材，也可供其他專業的師生和工程技術人員參考。
前 言
自動控制技術已經廣泛應用在各行各業，極大地提高了勞動生產率和產品質量，改善了工人的勞動條件，豐富和提高了人民的生活水平，為國民經濟和國防建設發揮著越來越重要的作用。特別是我國神舟系列載人航天飛船的研制成功，極大地鼓舞了國人，提升了我國在國際社會中的地位。自動控制理論按其發展階段不同，可以分為古典控制理論、現代控制理論以及大系統理論和智能控制理論。其中古典控制理論是學習現代控制理論的基礎，也是工科院校普遍開設的一門專業基礎理論課。本書共分為8章，主要包括自動控制的一般概念與數學基礎、連續控制系統的數學模型、時域分析法、根軌跡分析法、頻率特性法、控制系統的頻率法校正、非線性系統和采樣控制系統等內容，通過本書的學習，學生可掌握分析和設計自動控制系統的基本理論和方法，為學習相關專業知識打下良好的理論基礎。
編者根據多年教學經驗，從讀者角度出發，力求每一步推導、每一道習題、每一段講解都有理有據，通俗易懂，重點突出。MATLAB計算仿真已經成為工科學生必須具備的一種應用工具，因此，本書在部分章節的最后一節中編入了控制系統計算機仿真的內容，使讀者在學習理論的同時，能夠掌握一種高效便利的仿真工具，減輕讀者煩瑣的計算負擔。為了便于讀者理解本書的相關內容，第1章中加入了一些數學基礎知識，如拉普拉斯變換和傅里葉變換等。
本書由重慶科技學院宋樂鵬擔任主編，寶雞文理學院胡皓擔任副主編。其中，第1章、第3章、第6章由宋樂鵬編寫；第2章、第7章、第8章由胡皓編寫；第4章、第5章由宜賓學院的郭靖楊編寫。全書由宋樂鵬統稿、定稿。本書由重慶科技學院的唐德東教授主審。在編寫過程中，重慶科技學院的姜泓教授提出了許多寶貴的意見，寶雞文理學院任鳥飛和重慶科技學院的董志明、張小云、蘇盈盈、蘭楊參加了本書的審核工作，在此表示感謝！
本書在編寫過程中學習和汲取了其他教材的部分內容，在此向原教材的各位作者表示誠摯的謝意！
由于編者水平有限，書中難免存在疏漏和不足之處，敬請廣大讀者批評指正。
編 者
目 錄第1章 自動控制的一般概念與
數學基礎 1
概述 1
1.1 自動控制系統的基本原理 2
1.2 自動控制的基本方式 5
1.2.1 開環控制系統 5
1.2.2 閉環控制系統 6
1.2.3 復合控制系統 8
1.3 對控制系統性能的基本要求 9
1.4 自動控制系統的類型 11
1.4.1 按系統的特性分類 11
1.4.2 按信號的傳遞是否連續分類 11
1.4.3 按給定量的特征分類 11
1.5 復數及其表示 12
1.5.1 復數及其代數運算 12
1.5.2 復數的表示 13
1.5.3 復數的乘冪與方根 16
1.6 拉普拉斯變換及其應用 17
1.6.1 拉氏變換的概念 17
1.6.2 拉氏變換的性質 19
1.6.3 拉氏反變換 23
1.6.4 拉氏變換應用舉例 28
1.7 傅里葉變換 31
1.7.1 傅里葉積分 31
1.7.2 傅里葉變換的概念 32
1.7.3 傅里葉變換的性質 33
小結 34
習題 34
第2章 連續控制系統的數學模型 36
概述 36
2.1 控制系統數學模型的概念 37
2.1.1 數學模型的類型 37
2.1.2 數學模型的特點 37
2.1.3 建立數學模型的方法 38
2.2 控制系統的動態微分方程 39
2.2.1 列寫動態微分方程的一般方法 39
2.2.2 非線性元件微分方程的線性化 42
2.3 控制系統的傳遞函數 45
2.3.1 傳遞函數的概念 45
2.3.2 典型環節的傳遞函數及其動態響應 47
2.3.3 傳遞函數的求取 51
2.4 動態結構圖及其等效變換 54
2.4.1 動態結構圖的概念 55
2.4.2 結構圖的等效變換 58
2.5 信號流圖 64
2.5.1 信號流圖的定義 64
2.5.2 系統的信號流圖 65
2.5.3 信號流圖的定義和術語 67
2.5.4 信號流圖的性質 67
2.5.5 信號流圖的梅遜公式 68
2.6 MATLAB簡介及數學模型的表示 70
2.6.1 MATLAB簡介 70
2.6.2 傳遞函數的表示 70
2.6.3 傳遞函數的特征根及零極點圖 71
2.6.4 控制系統的方框圖模型 73
2.6.5 控制系統的零極點模型 74
小結 75
習題 75
第3章 時域分析法 81
概述 81
3.1 控制系統的典型輸入信號 81
3.1.1 階躍函數信號 82
3.1.2 斜坡函數信號 82
3.1.3 拋物線函數信號 82
3.1.4 脈沖函數信號 83
3.1.5 正弦函數信號 83
3.2 線性系統的穩定性分析 84
3.2.1 穩定的基本概念 84
3.2.2 線性系統穩定的充分必要條件 85
3.3 代數穩定判據 87
3.3.1 勞斯判據 88
3.3.2 用代數穩定判據分析系統時的應用 91
3.4 穩態誤差分析與計算 94
3.4.1 誤差及穩態誤差的定義 94
3.4.2 給定輸入下的穩態誤差 97
3.4.3 擾動的穩態誤差 101
3.5 復合控制系統的穩態誤差 103
3.5.1 引入給定補償 103
3.5.2 引入擾動補償 104
3.6 控制系統的動態響應及其性能指標 104
3.7 一階系統的動態響應分析 106
3.7.1 典型一階系統的單位階躍響應 106
3.7.2 典型一階系統的其他響應 108
3.8 二階系統的動態響應分析 109
3.8.1 典型二階系統的單位階躍響應 109
3.8.2 二階系統性能指標與系統參數的關系 112
3.9 二階系統性能的改善 116
3.9.1 引入輸出量的速度負反饋控制 116
3.9.2 引入誤差信號的比例微分控制 117
3.10 高階系統的動態分析 119
3.11 控制系統時域分析的
MATLAB應用 120
3.11.1 線性系統的MATLAB表示 120
3.11.2 單位階躍響應 120
3.11.3 單位脈沖響應 121
3.11.4 控制系統穩定性判定 121
小結 122
習題 123
第4章 根軌跡分析法 130
概述 130
4.1 自動控制系統的根軌跡 130
4.1.1 根軌跡的概念 130
4.1.2 根軌跡方程 132
4.2 繪制根軌跡的基本法則 134
4.3 廣義根軌跡 147
4.3.1 參量根軌跡 147
4.3.2 多參數根軌跡簇 150
4.3.3 正反饋系統的根軌跡 151
4.4 控制系統的根軌跡分析 154
4.4.1 根軌跡確定系統的閉環極點 154
4.4.2 根軌跡確定系統的動態特性 155
4.4.3 開環零點對根軌跡的影響 156
4.4.4 開環極點對根軌跡的影響 158
4.5 利用MATLAB繪制根軌跡 159
小結 160
習題 161
第5章 頻率特性法 165
概述 165
5.1 頻率特性 165
5.1.1 頻率特性的概念 165
5.1.2 頻率特性的求取 167
5.1.3 頻率特性的幾種表示方法 169
5.2 典型環節的頻率特性 172
5.2.1 比例環節 172
5.2.2 積分環節 172
5.2.3 微分環節 173
5.2.4 慣性環節 174
5.2.5 一階微分環節 175
5.2.6 振蕩環節 176
5.2.7 二階微分環節 178
5.2.8 延遲環節 178
5.2.9 非最小相位環節 179
5.3 系統開環頻率特性 180
5.3.1 系統開環幅相頻率特性曲線 180
5.3.2 系統開環對數頻率特性曲線 182
5.4 奈奎斯特穩定判據 186
5.4.1 映射定理 186
5.4.2 Nyquist軌跡及其映射 187
5.4.3 Nyquist穩定判據一 188
5.4.4 Nyquist穩定判據二 189
5.4.5 Nyquist對數穩定判據 193
5.5 控制系統的相對穩定性 194
5.5.1 增益裕度 195
5.5.2 相角裕度 196
5.5.3 用幅相頻率特性曲線分析系統穩定性 197
5.6 系統時域性能和開環頻率特性的關系 198
5.6.1 系統開環頻率特性的三個頻段 198
5.6.2 低頻段特性與系統的穩態精度 198
5.6.3 中頻段特性與系統的暫態性能 199
5.6.4 高頻段特性對系統性能的影響 200
5.7 根據系統閉環頻率特性分析系統的動態性能 201
5.7.1 閉環頻率特性 201
5.7.2 閉環頻率指標 201
5.7.3 閉環頻域指標與時域指標的關系 202
5.7.4 閉環頻域指標和開環指標的關系 204
5.8 利用MATLAB繪制系統頻率特性曲線 205
小結 211
習題 212
第6章 控制系統的頻率法校正 217
概述 217
6.1 控制系統的一般概念 217
6.1.1 校正的概念 217
6.1.2 校正的方式 218
6.1.3 控制系統的性能指標 219
6.2 常用的校正裝置及其特性 219
6.2.1 相位超前校正裝置 219
6.2.2 相位滯后校正裝置 222
6.2.3 相位滯后-超前校正裝置 225
6.3 頻率法串聯校正 227
6.3.1 串聯相位超前校正 228
6.3.2 串聯相位滯后校正 234
6.3.3 串聯相位滯后-超前校正 241
6.4 期望對數頻率特性法校正 242
6.4.1 基本概念 242
6.4.2 典型期望對數幅頻特性 243
6.5 反饋校正 248
6.6 MATLAB在控制系統校正中的應用 251
6.6.1 MATLAB函數在控制系統校正中的應用 251
6.6.2 基于Simulink的系統校正 253
小結 255
習題 256
第7章 非線性系統 261
概述 261
7.1 非線性系統概述 262
7.1.1 常見非線性特性 262
7.1.2 非線性系統的特點 265
7.2 描述函數法 268
7.2.1 描述函數的概念 268
7.2.2 描述函數的求法 270
7.2.3 用描述函數研究非線性系統的穩定性和自振 276
7.2.4 描述函數法的精確度 285
7.3 改善非線性系統性能的措施及非線性特性的利用 286
7.3.1 改善非線性特性的措施 286
7.3.2 非線性特性的應用 287
7.4 基于Simulink的非線性系統分析 291
小結 298
習題 298
第8章 采樣控制系統 303
概述 303
8.1 離散系統的定義及常用術語 304
8.1.1 離散系統的幾個定義 304
8.1.2 離散系統的幾個常用術語 305
8.1.3 離散系統的特點 305
8.2 采樣過程和采樣信號的復現 306
8.3 Z變換 311
8.3.1 Z變換的定義 311
8.3.2 Z變換方法 312
8.3.3 Z變換的性質 314
8.3.4 Z反變換 317
8.4 離散系統的數學模型 319
8.4.1 差分方程 319
8.4.2 脈沖傳遞函數的定義 323
8.4.3 采樣系統的結構圖 324
8.4.4 閉環系統的傳遞函數 328
8.5 采樣系統的穩定性分析 330
8.5.1 采樣系統的穩定條件 330
8.5.2 勞斯穩定判據 332
8.6 采樣系統的穩態誤差 334
8.6.1 用終值定理計算穩態誤差 334
8.6.2 用靜態誤差系數計算穩態誤差 336
8.7 暫態響應與傳遞函數零極點分布的關系 339
8.8 采樣系統的校正 342
8.8.1 數字控制器的脈沖傳遞函數 342
8.8.2 最少拍系統的脈沖傳遞函數 344
8.9 MATLAB在離散系統中的應用 347
8.9.1 連續系統的離散化 347
8.9.2 求采樣系統的響應 348
小結 350
習題 350
附錄 354
參考文獻 357
