自动控制原理

自动控制原理是自动化学科的重要理论基础，是研究有关自动控制系统中基本概念、基本原理和基本方法的课程，是高等院校自动化相关专业的核心基础理论课程。学好自动控制理论对掌握自动化技术有着重要的作用。

本书严格按照高等工科院校自动控制原理教学大纲的要求安排全书内容。全书从自动控制的基本概念开始逐渐深入，不仅向读者介绍了自动控制的经典控制理论，还对现代控制理论做了初步的介绍，让读者对现代控制理论有一个基本的了解和认识。在介绍相关原理的时候，尽量做到严谨而不枯燥，不仅安排了丰富而详实的实例，还借助计算机仿真技术来辅助教学。

本书的内容安排如下：

第1章绪论。主要对自动控制理论的发展、自动控制技术中的基本控制方式、自动控制系统的组成、自动控制系统的分类、自动控制系统的基本要求等作了简单介绍，让读者对自动控制有一个初步的认识。

第2章控制系统的数学模型。主要对控制系统分析和设计过程中常采用的微分方程、Laplace变换基础、传递函数、典型环节及其传递函数、动态结构图、动态结构图的等效变换、自动控制系统的传递函数等数学模型进行相应的介绍。本章是控制系统分析与设计的基础，如果不对分析和设计的控制系统建立数学模型，所有的分析和设计将无从谈起。

第3章时域分析法。在确定系统的数学模型后，便可以用几种不同的方法去分析控制系统的性能，而时域分析法是一种在时间域中对系统进行分析的方法，具有直观、准确的优点。所以在本章重点介绍了时域分析法中典型输入信号、阶跃响应的性能指标、一阶系统的时域分析、二阶系统的时域分析、线性定常系统的稳定性、稳态误差计算等知识。

第4章根轨迹分析法。在分析闭环系统时，为求解闭环极点和闭环零点引入了根轨迹分析法，为此在本章中重点对根轨迹的基本概念、根轨迹绘制的基本规则以及广义根轨迹等知识进行了相应的介绍。

第5章频率特性分析法。频率特性分析法作为一种有效的图解法和成熟实用的工程方法，不仅适用于线性定常系统，而且被推广应用到对某些非线性控制系统的分析中。为此本章重点对频率特性的基本概念、典型环节频率特性、系统开环频率特性的绘制、奈奎斯特稳定判断依据、稳定裕度和三段频与系统的关系等知识进行了相应的介绍。

第6章自动控制系统的校正。控制系统的设计问题作为系统分析的逆问题，是根据对系统的要求，选择合适的控制方案与结构、计算系统参数、选择装置，通过仿真或实验研究，建立起能满足要求的实用系统。这样一项复杂的工作，既要考虑技术要求，又要考虑工程方面的要求。而系统的综合校正是从技术角度出发，用数学方法寻找一个能满足技术要求的控制系统。因此，本章重点对系统校正的基本概念、工程常用校正控制规律、基于频率法的串联校正设计、基于根轨迹法的串联校正设计以及应用Matlab进行校正设计等知识进行了相应的介绍。

第7章离散控制系统。本章重点对离散控制系统基本概念、信号的采样与复现、离散控制系统的数学模型、离散系统的性能分析以及应用Matlab进行离散系统分析等知识进行了相应的介绍。

第8章现代控制理论初步。本章主要介绍现代控制理论的基础知识，包括状态空间的基本概念、状态空间的描述、系统的能控性和能观测性等几个方面，通过这些方面的学习，可以掌握现代控制理论的初步知识。

本书重点突出、主次分明、结构层次清晰、逻辑严谨、语言通俗易懂，内容深入浅出，并附有大量有针对性的实例和练习，易于读者学习和巩固。本书既可作为电子信息、机电一体化类专业的本科生、专科生的“自动控制原理”课程专业教材，还可作为高职、高专院校相关专业教材。同时也可作为其他相关专业学生和从事自动控制方面工作的工程技术人员的参考书。

本书由李明富、曾伟一担任主编，谭飞、王皑军担任副主编，林训超、郝文化审。其中，李明富编写了第1、2、3章和第8章的第1、2、4节；曾伟一编写了第6章的第5节；王皑军编写了第4、5章；谭飞编写了第6章的第1、2、3、4、6、7节和第7章的第1、2、4、5、6节；陈立伟编写了第7章的第3节；李德智编写了第8章的第3节。

同时参与本书编排的人员还有：邹素琼、郝文化、王安贵、陈郭宜、程小英、谭小丽、卢丽娟、刘育志、吴淬砺、赵明星、贺洪俊、李小平、史利、张燕秋、周林英、黄茂英、李力、李小琼、李修华、田茂敏、苏萍、巫文斌、邹勤、粟德容、童芳、李中全等，向他们表示衷心的感谢。

在本书的编写过程中，得到有关高校领导和老师以及中国水利水电出版社的大力支持，并参考了国内外有关作者的书籍或最新成果，在此一并向他们表示感谢。由于时间仓促，书中难免出现错误，请读者批评指正。

为充分展现本书编写特点，帮助读者深刻理解本书内涵，进一步提高本书教学的效率，我们建立了本书使用指导联络信箱。欢迎读者将图书使用过程中的问题与各种探讨、建议反馈给我们，编者会竭诚给你满意的答复。我们的E-mail：bojia@bojia.net。同时，为方便老师教学和学生学习，本书还配有电子教案和习题参考答案，可从中国水利水电出版社网站免费下载，网址：http://www.waterpub.com.cn/softdown/。

编 者

2005年7月

序
前言
第1章 绪论 1
知识点 1
1.1 引言 1
1.1.1 自动控制技术及应用 1
1.1.2 自动控制理论的发展 2
1.2 自动控制技术中的基本控制方式 3
1.2.1 开环控制 3
1.2.2 闭环控制 4
1.2.3 其他控制方式 7
1.3 自动控制系统的组成 9
1.3.1 自动控制系统基本职能元件 9
1.3.2 自动控制的基本术语 10
1.3.3 方框图的建立 11
1.4 自动控制系统的分类 12
1.4.1 按给定值分类 12
1.4.2 按系统特性分类 12
1.4.3 按系统信号形式分类 13
1.5 自动控制系统的基本要求 14
1.5.1 稳定性 14
1.5.2 快速性 14
1.5.3 准确性 14
1.6 本课程的性质和任务 15
1.7 本章要点及习题 15
1.7.1 本章要点 15
1.7.2 基础部分 15
1.7.3 提高部分 16
第2章 控制系统的数学模型 17
知识点 17
2.1 微分方程 17
2.1.1 系统微分方程的建立 17
2.1.2 建立微分方程的步骤 22
2.2 Laplace变换基础 22
2.2.1 拉氏变换的概念 22
2.2.2 常用函数的拉氏变换 23
2.2.3 拉氏变换的基本定理 23
2.3 传递函数 24
2.3.1 传递函数的定义 24
2.3.2 传递函数的性质 25
2.4 典型环节及传递函数 25
2.4.1 比例环节 26
2.4.2 积分环节 26
2.4.3 惯性环节 27
2.4.4 理想微分环节 28
2.4.5 比例微分环节 28
2.4.6 振荡环节 29
2.4.7 延迟环节 30
2.5 动态结构图 31
2.5.1 动态结构图的组成 31
2.5.2 动态结构图的建立 32
2.6 动态结构图的等效变换 34
2.6.1 动态结构图的等效变换法则 34
2.6.2 动态结构图的等效变换举例 36
2.7 自动控制系统的传递函数 38
2.7.1 闭环控制系统的开环传递函数 38
2.7.2 闭环传递函数 39
2.8 本章要点及习题 40
2.8.1 本章要点 40
2.8.2 基础部分 41
2.8.3 提高部分 42
第3章 时域分析法 44
知识点 44
3.1 典型输入信号 44
3.1.1 阶跃函数 44
3.1.2 斜坡函数 45
3.1.3 抛物线函数 45
3.1.4 脉冲函数 46
3.1.5 正弦函数 46
3.2 阶跃响应的性能指标 47
3.2.1 上升时间 47
3.2.2 延迟时间 48
3.2.3 超调量 48
3.2.4 调节时间 48
3.2.5 峰值时间 48
3.2.6 稳态误差 49
3.3 一阶系统的时域分析 49
3.3.1 一阶系统的数学模型 49
3.3.2 一阶系统的单位阶跃响应 49
3.3.3 一阶系统的单位斜坡响应 50
3.3.4 一阶系统的单位脉冲响应 51
3.4 二阶系统的时域分析 52
3.4.1 二阶系统的数学模型 52
3.4.2 二阶系统的工作状态 52
3.4.3 欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应 53
3.4.4 临界阻尼二阶系统的单位阶跃响应 54
3.4.5 典型二阶系统的性能指标 55
3.5 线性定常系统的稳定性 56
3.5.1 稳定性定义 57
3.5.2 稳定的条件 57
3.5.3 稳定的判断依据 59
3.6 稳态误差计算 62
3.6.1 误差和稳态误差 63
3.6.2 稳态误差的计算 64
3.6.3 系统的类型 65
3.7 本章要点及习题 67
3.7.1 本章要点 67
3.7.2 基础部分 67
3.7.3 提高部分 68
第4章 根轨迹分析法 70
知识点 70
4.1 根轨迹的基本概念 70
4.1.1 根轨迹的概念 70
4.1.2 根轨迹与系统性能 71
4.1.3 闭环零、极点与开环零、极点的关系 72
4.1.4 根轨迹方程及绘制条件 72
4.2 根轨迹绘制的基本规则 73
4.2.1 绘制根轨迹的基本规则 73
4.2.2 根轨迹绘制举例 78
4.3 广义根轨迹 82
4.3.1 参数根轨迹 82
4.3.2 零度根轨迹 83
4.4 本章要点及习题 84
4.4.1 本章要点 84
4.4.2 基础部分 85
4.4.3 提高部分 86
第5章 频率特性分析法 88
知识点 88
5.1 频率特性的基本概念 88
5.1.1 频率特性的定义 88
5.1.2 频率特性的表示法 90
5.2 典型环节频率特性 92
5.2.1 比例环节 93
5.2.2 积分环节 94
5.2.3 惯性环节 95
5.2.4 微分环节 96
5.2.5 一阶微分环节 96
5.2.6 二阶微分环节 97
5.2.7 振荡环节 98
5.3 系统开环频率特性的绘制 100
5.3.1 概略开环幅相曲线的绘制 101
5.3.2 开环对数频率特性曲线的绘制 103
5.3.3 根据频率特性确定传递函数 105
5.4 奈奎斯特稳定判断依据 107
5.4.1 系统开环特征式和闭环特征式 107
5.4.2 奈奎斯特稳定判断依据 107
5.5 稳定裕度 109
5.6 三段频与系统的关系 111
5.7 本章要点及习题 112
5.7.1 本章要点 112
5.7.2 基础部分 113
5.7.3 提高部分 114
第6章 自动控制系统的校正 118
知识点 118
6.1 校正的基本概念 118
6.1.1 性能指标 118
6.1.2 系统的校正 119
6.2 工程常用校正控制规律 120
6.2.1 P控制（比例控制） 120
6.2.2 PD控制（比例+微分） 120
6.2.3 PI控制（比例+积分） 121
6.2.4 PID控制（比例+积分+微分） 121
6.3 基于频率法的串联校正设计 122
6.3.1 基于频率特性的串联超前校正 122
6.3.2 基于频率特性的串联滞后校正 126
6.3.3 基于频率特性的串联滞后-超前校正 129
6.3.4 按期望特性进行串联校正 131
6.4 基于根轨迹法的串联校正设计 133
6.4.1 基于根轨迹的串联超前校正 133
6.4.2 基于根轨迹的串联滞后校正 137
6.4.3 基于根轨迹的滞后-超前校正 140
6.5 应用MATLAB进行校正设计 144
6.6 本章要点及习题 152
6.6.1 本章要点 152
6.6.2 基础部分 152
6.6.3 提高部分 153
第7章 离散控制系统 154
知识点 154
7.1 离散控制系统基本概念 154
7.1.1 采样控制系统 154
7.1.2 数字控制系统 155
7.2 信号的采样与复现 155
7.2.1 香农采样定理 155
7.2.2 零阶保持器的原理 160
7.3 离散控制系统的数学模型 163
7.3.1 差分方程 163
7.3.2 z变换与反z变换 164
7.3.3 脉冲传递函数的定义 168
7.3.4 开环系统的脉冲传递函数 169
7.3.5 闭环系统的脉冲传递函数 172
7.4 离散系统的性能分析 177
7.4.1 离散系统的稳定性分析 177
7.4.2 离散系统稳定性的代数判断依据 180
7.4.3 离散系统的稳态误差 185
7.4.4 离散系统的动态性能 188
7.5 应用MATLAB进行离散系统分析 195
7.6 本章要点及习题 198
7.6.1 本章要点 198
7.6.2 基础部分 199
7.6.3 提高部分 201
第8章 现代控制理论初步 203
知识点 203
8.1 状态空间法的基本概念 203
8.1.1 状态与状态变量 203
8.1.2 状态向量与状态空间 204
8.2 状态空间描述 205
8.2.1 状态变量的选取 205
8.2.2 线性系统的状态空间描述 207
8.3 能控性和能观测性 207
8.3.1 线性系统的能控性 208
8.3.2 线性系统的能控性判断依据 208
8.3.3 线性系统的能观测性 209
8.3.4 线性系统的能观测性判断依据 209
8.4 本章要点及习题 210
8.4.1 本章要点 210
8.4.2 基础部分 210
8.4.3 提高部分 211
参考文献 212

1. 自动控制——建模•分析•设计 [宫二玲 沈辉 编著]
2. 控制器件（第二版） [邹逢兴 主编]
3. 自动控制原理（第五版）同步辅导及习题全解 [主编 孟浩 刘东星]
4. 自动控制原理实践教程 [彭学锋 等编著]
5. 自动控制原理 [林青云 主编]
6. 建筑智能化技术 [谢莉 等编著]