自動控制基礎（簡體書）

本書是為應用型本科學校自動控制類課程編寫的教材，重點講述了經典控制理論、離散控制系統及其應用，主要內容包括自動控制基礎概論、控制系統的動態數學模型、 控制系統的時域瞬態響應分析、線性系統的根軌跡法、控制系統的頻率特性、 控制系統的綜合與校正、離散系統與計算機控制系統，還對非線性控制系統分析和線性系統的狀態空間分析作了介紹。
本書從應用型本科人才培養目標出發，將線性連續控制系統和線性離散控制系統分析設計同時放在基礎理論教學的位置，突出基礎性、共性問題，不苛求嚴格的數學推導，注重分析、解決實際問題的思路，特別重視工程實用性。書中除附有電、液、氣、機、熱、能等方面的例題、習題外，還配有分析設計工具MATLAB的應用，便於讀者理論聯繫實際，鞏固所學知識。
本書適合高等學校自動化、電氣自動化、機械製造及其自動化、機械電子工程、控制工程、機電一體化、新型能源開發與利用、能源動力工程、建築與環境設備等專業學生使用，亦可供相近領域的工程技術人員學習參考。

應用型本科，該書配有學習指導習題詳解

第1章 自動控制基礎概論 1
1.1 引言 1
1.1.1 自動控制技術及應用 1
1.1.2 自動控制理論的發展 1
1.2 自動控制系統的工作原理 2
1.2.1 自動控制的基本概念 2
1.2.2 自動控制系統的基本組成 4
1.2.3 自動控制系統的基本工作方式 4
1.3 自動控制理論在工程中的應用 7
1.3.1 自動控制理論在機械自動化系統中的應用 7
1.3.2 自動控制理論在熱工系統中的應用 8
1.3.3 自動控制理論在工業自動化系統中的應用 9
1.3.4 自動控制理論在其他系統中的應用 9
1.4 自動控制系統的工作方式 10
1.4.1 對自動控制系統的基本要求 10
1.4.2 常用控制系統的典型輸入信號 11
1.4.3 自動控制系統的設計步驟 13
1.5 自動控制系統的類型 14
1.5.1 按信號傳遞特點或系統結構特點分類 14
1.5.2 按給定信號特點分類 14
1.5.3 按數學描述分類 16
1.5.4 按時間信號的性質分類 16
1.5.5 按系統參數是否變化分類 16
1.6 本章小結 17
習題 17

第2章 控制系統的動態數學模型 19
2.1 基本環節數學模型 19
2.1.1 引言 19
2.1.2 模型的數學基礎 19
2.2 控制系統的時域數學模型 30
2.2.1 微分方程的建立 31
2.2.2 非線性特性的線性化 33
2.2.3 微分方程的求解 34
2.3 控制系統的複數域數學模型 35
2.3.1 傳遞函數 35
2.3.2 典型環節的傳遞函數 40
2.4 控制系統分析設計的常用模型 43
2.4.1 結構圖的基本概念 43
2.4.2 結構圖的建立 44
2.4.3 結構圖的等效變換 46
2.5 閉環系統的傳遞函數 52
2.5.1 閉環系統的開環傳遞函數 52
2.5.2 閉環系統的傳遞函數 52
2.6 脈衝響應函數 54
2.6.1 脈衝響應函數的基本概念 54
2.6.2 脈衝響應函數的應用 55
2.7 線性控制系統模型的MATLAB實現 57
2.7.1 控制系統模型描述 57
2.7.2 模型轉換 58
2.8 本章小結 59
習題 60
第3章 控制系統的時域瞬態響應分析 65
3.1 控制系統的時域性能指標 65
3.1.1 控制系統的穩態性能指標 66
3.1.2 控制系統的動態性能指標 66
3.2 一階系統的時域響應 67
3.2.1 一階系統的數學模型 67
3.2.2 一階系統的單位階躍響應 68
3.2.3 一階系統的單位斜坡響應 69
3.2.4 一階系統的單位脈衝響應 70
3.3 二階系統的時域響應 71
3.3.1 二階系統的數學模型 71
3.3.2 二階系統的單位階躍響應 71
3.3.3 二階系統的單位斜坡響應 81
3.3.4 二階系統的單位脈衝響應 83
3.3.5 二階系統的性能分析與改善 85
3.4 高階系統的時域響應 90
3.4.1 高階系統的數學模型及降階 90
3.4.2 典型三階系統的階躍響應 91
3.4.3 高階系統的時域響應 92
3.5 線性系統的穩定性分析 95
3.5.1 系統穩定性的基本概念 96
3.5.2 系統穩定的充要條件 96
3.5.3 代數穩定性判據 97
3.5.4 穩定性判據的應用 103
3.6 線性系統的穩態誤差分析 111
3.6.1 誤差與穩態誤差的定義 111
3.6.2 穩態誤差及靜態誤差係數 113
3.6.3 動態誤差係數的應用 117
3.6.4 提高系統穩態精度的措施 119
3.7 控制系統響應的MATLAB分析 122
3.7.1 單位階躍響應 122
3.7.2 單位脈衝響應 124
3.7.3 斜坡函數作用下系統的響應 126
3.7.4 任意函數作用下系統的響應 126
3.7.5 判別系統的穩定性 127
3.7.6 Simulink建模與仿真 128
3.8 本章小結 128
習題 129
第4章 線性系統的根軌跡法 133
4.1 根軌跡法的基本概念 133
4.1.1 根軌跡的概念 133
4.1.2 根軌跡與系統性能 134
4.1.3 閉環零、極點與開環零、極點之間的關係 135
4.1.4 根軌跡方程 136
4.2 根軌跡繪製的基本法則 137
4.3 廣義根軌跡的繪製 150
4.3.1 參數根軌跡 150
4.3.2 零度根軌跡 155
4.4 根軌跡圖繪製舉例 157
4.5 線性系統的根軌跡分析 162
4.5.1 主導極點與偶極子 162
4.5.2 主導極點法 163
4.5.3 系統閉環零、極點的分佈與性能指標 163
4.5.4 增加開環零、極點對根軌跡的影響 164
4.6 線性系統根軌跡的MATLAB繪製分析 168
4.6.1 繪製根軌跡圖 168
4.6.2 根軌跡上特殊的點 169
4.6.3 K值確定下系統的穩定性 171
4.7 本章小結 173
習題 173
第5章 控制系統的頻率特性 176
5.1 頻率特性的基本概念 176
5.1.1 頻率特性的定義 176
5.1.2 頻率特性與傳遞函數 178
5.1.3 正弦輸入信號下的穩態誤差 180
5.1.4 頻率特性的幾何表示及繪製 180
5.2 典型環節的頻率特性 183
5.2.1 典型環節的數學模型 184
5.2.2 奈氏圖（極坐標） 185
5.2.3 伯德圖（對數坐標） 193
5.2.4 最小相位系統 204
5.2.5 由單位脈衝響應求系統的頻率特性 206
5.2.6 對數幅相頻率特性 206
5.3 頻率域穩定性判據 207
5.3.1 數學基礎 208
5.3.2 奈氏判據 209
5.3.3 奈氏判據在開環傳遞函數中有積分環節時的應用 211
5.3.4 對數穩定性判據 216
5.4 頻域穩定裕度 217
5.4.1 相角裕度 218
5.4.2 幅值裕度 218
5.5 閉環控制系統的頻率響應 221
5.5.1 控制系統的頻帶寬度 221
5.5.2 閉環頻率特性及特徵量 223
5.5.3 頻率域性能指標與時域性能指標 224
5.5.4 開環對數頻率特性與時域響應關係 229
5.6 機械系統動剛度的概念 233
5.7 線性系統頻域的MATLAB分析 235
5.7.1 正弦信號作用下的輸出信號 235
5.7.2 頻率響應的計算方法 235
5.7.3 頻率響應曲線的繪製 236
5.8 本章小結 240
習題 241
第6章 控制系統的綜合與校正 246
6.1 系統校正的基本概念 246
6.1.1 系統的性能指標 246
6.1.2 系統的校正方式 247
6.1.3 基本控制規律 248
6.2 常用校正裝置及其特性 250
6.2.1 超前校正裝置 250
6.2.2 滯後校正裝置 252
6.2.3 滯後超前校正 254
6.3 頻率法校正 255
6.3.1 串聯超前校正 255
6.3.2 串聯滯後校正 258
6.3.3 串聯滯後超前校正 261
6.3.4 綜合法校正（期望值校正） 263
6.4 頻率法反饋校正 265
6.4.1 反饋校正對系統特性的影響 265
6.4.2 綜合法反饋校正 266
6.5 確定PID參數的其他方法 269
6.6 系統綜合校正中的MATLAB應用 271
6.6.1 超前校正 271
6.6.2 滯後校正 273
6.6.3 PID校正 275
6.7 本章小結 277
習題 278
第7章 離散系統與計算機控制系統 282
7.1 計算機控制系統概述 282
7.1.1 計算機控制系統的基本組成 283
7.1.2 計算機控制系統內部信號流的處理 284
7.2 信號採樣與保持 285
7.2.1 採樣過程的數學描述 285
7.2.2 採樣定理 287
7.2.3 信號保持器的特性 289
7.3 z變換理論 290
7.3.1 z變換的定義 290
7.3.2 z變換的求取 291
7.3.3 z變換的基本性質 294
7.3.4 z反變換 295
7.3.5 z變換的應用 299
7.4 離散系統的數學模型 301
7.4.1 線性定常系統的差分方程 302
7.4.2 脈衝傳遞函數 305
7.5 離散系統的穩定性與穩態誤差分析 313
7.5.1 離散系統穩定的充要條件 313
7.5.2 勞斯穩定判據 315
7.5.3 朱利穩定判據 316
7.5.4 離散系統的穩態誤差分析 319
7.6 離散系統的動態特性分析 322
7.6.1 根與脈衝響應的關係 323
7.6.2 離散控制系統的時間響應及性能指標 324
7.6.3 閉環極點的分佈與動態性能的關係 326
7.7 離散控制系統的分析與設計 329
7.7.1 離散系統的校正方式 329
7.7.2 數字控制器的脈衝傳遞函數 329
7.7.3 最少拍系統的動態響應 330
7.8 計算機控制系統的模擬化設計方法 334
7.8.1 差分變換法 335
7.8.2 數字PID控制器的設計 336
7.9 MATLAB在計算機控制系統中的應用 340
7.9.1 離散系統的表示 340
7.9.2 綜合應用 341
7.10 本章小結 344
習題 344
第8章 非線性控制系統分析 348
8.1 概述 348
8.1.1 典型的非線性類型 348
8.1.2 分析非線性系統的方法 349
8.2 描述函數法 350
8.2.1 描述函數法的定義 350
8.2.2 飽和 351
8.2.3 繼電特性 353
8.2.4 死區 355
8.2.5 非線性系統的穩定性分析 356
8.3 相軌跡法 360
8.3.1 基本概念 360
8.3.2 相軌跡的作圖法 361
8.3.3 相平面分析 364
8.4 本章小結 367
習題 367
第9章 線性系統的狀態空間分析 369
9.1 線性系統的狀態空間描述 369
9.1.1 狀態空間的基本概念 369
9.1.2 狀態空間表達式的建立及示例 371
9.2 線性定常連續系統狀態方程的解 386
9.2.1 線性定常系統齊次狀態方程的解 386
9.2.2 線性定常連續系統非齊次狀態方程的解 389
9.3 線性系統的可控可觀測性 391
9.3.1 線性定常系統的可控性 392
9.3.2 線性定常系統的輸出可控性 396
9.3.3 線性定常系統的可觀測性 397
9.4 線性系統的反饋結構及狀態觀測器 400
9.4.1 線性定常系統的常用反饋結構 400
9.4.2 反饋結構對系統可控性和可觀測性的影響 402
9.4.3 系統的極點配置 402
9.4.4 全維狀態觀測器及其設計 406
9.4.5 分離特性 411
9.5 本章小結 412
習題 412
附錄 部分函數的z變換、拉氏變換表 415
參考文獻 416