自動控制原理（簡體書）

《自動控制原理》共分九章。第一章概述自動控制系統的基本概念以及發展的歷程；第二章較為全面地描述控制系統各單元的微分方程、傳遞函數、方塊圖、狀態空間等形式不一的數學模型和模型之間的關系；第三章討論如何獲取控制系統的時域響應和時域性能指標，著重分析了二階系統的特點；第四章說明了系統的穩定性與穩態誤差；第五章與第六章分別給出了根軌跡與頻率特性兩種圖解分析方法；第七章則將連續時間控制系統分析與綜合的方法推廣應用到線性離散時間控制系統；第八章闡述基于狀態空間模型的線性系統理論基礎；第九章簡單地介紹了非線性系統的基本概念、相平面分析法與描述函數法的基本知識。
《自動控制原理》立足自動控制的基礎理論與概念，注意到知識的完整性與系統性。因此，不僅可作為自動化類與電氣信息類相關專業本科生、研究生相應課程的教材，而且還可以作為廣大從事自動控制人員教學、科研的參考書。

第一章 概述
第一節 自動控制系統的基本概念
第二節 自動控制系統的基本結構形式
一、開環控制系統
二、閉環控制系統
三、開環與閉環控制系統的比較
第三節 自動控制系統的分類
一、按控制系統的結構分類
二、按系統給定信號的特征分類
三、按系統傳輸信號的性質分類
四、按系統的輸入輸出信號的數量分類
五、按系統的數學描述分類
六、按系統的參數是否隨時間變化分類
第四節 對自動控制系統的基本要求
一、穩定性
二、瞬態性能
三、穩態誤差
第五節 自動控制理論的發展概況
一、早期的自動控制系統
二、經典控制理論
三、現代控制理論
四、大系統控制理論與智能控制理論
第六節 本書的主要內容及結構體系
習題一

第二章 連續時間控制系統的數學模型
第一節 列寫動態系統的微分方程
一、幾個典型的例子
二、微分方程模型及相似系統
三、動態系統建模舉例
第二節 狀態及狀態空間模型
一、狀態空間的基本概念
二、狀態空間模型的建立
三、關于狀態空間模型的說明
第三節 特殊環節的建模及處理
一、純滯後
二、分布參數
三、積分
四、高階
五、非線性環節的線性化處理
第四節 控制系統中其他環節的數學模型
一、控制器的數學模型
二、測量元件的數學模型
三、執行機構的數學模型
第五節 傳遞函數與方塊圖
一、基本概念
二、關于傳遞函數的討論
三、系統方塊圖
第六節 信號流圖與梅遜公式
一、信號流圖的基本構成
二、信號流圖的繪制
三、梅遜增益公式
第七節 各種數學模型間的關系
一、由微分方程轉換為狀態方程
二、由狀態空間表達式求傳遞函數
三、狀態變換和狀態變換中特征值的不變性
四、由傳遞函數求狀態空間表達式
五、由方塊圖求系統狀態空間表達式
本章小結
習題二

第三章 連續時間控制系統的時域分析
第一節 概述
一、概述
二、典型輸入信號
第二節 微分方程的經典求解方法
一、系統的穩態響應求解
二、微分方程的暫態響應求解
三、暫態響應的時間常數
第三節 微分方程的拉氏變換求解方法
第四節 控制系統的性能指標及時域分析
一、控制系統的時域性能指標
二、控制系統的時域分析
第五節 高階系統的暫態響應
一、高階系統的階躍響應
二、高階系統的閉環主導極點
第六節 常規控制器及其對系統的影響
一、常規控制器的控制規律
二、控制器參數對控制過程的影響
三、測量滯後對控制過程的影響
第七節 狀態方程的求解與分析
一、線性定常齊次狀態方程的解
二、狀態轉移矩陣
三、線性定常狀態方程的解
四、狀態空間模型下的系統輸出響應
第八節 被控對象的實驗建模
一、常用的實驗測試方法
二、輸入測試信號
三、實驗測試數據的處理
本章小結
習題三

第四章 連續時間控制系統的穩定性與穩態誤差
第一節 勞斯穩定判據
一、穩定性
二、勞斯判據
三、勞斯判據的應用
四、赫爾維茨判據
第二節 反饋控制系統的穩態誤差
一、穩態誤差
二、反饋控制系統的“型”
三、穩態誤差系數
第三節 等效單位負反饋系統
本章小結
習題四

第五章 根軌跡分析法
第一節 概述
一、根軌跡概念
二、閉環零、極點和開環零、極點之間的關系
三、根軌跡方程
第二節 根軌跡的繪制方法
第三節 廣義根軌跡
一、參數根軌跡
二、零度根軌跡
三、純滯後系統的根軌跡
第四節 基于根軌跡的系統性能分析
一、開環極點對系統性能的影響
二、開環零點對系統性能的影響
三、增益K的選取
第五節 基于根軌跡的系統補償器設計
一、超前補償器的設計
二、滯後補償器的設計
三、PID控制器的設計
本章小結
習題五

第六章 頻率特性分析法
第一節 概述
第二節 頻率特性及其圖示法
一、頻率特性的定義
二、頻率特性的圖示法
第三節 開環系統典型環節分解和頻率特性曲線的繪制
一、開環系統典型環節分解
二、典型環節的幅相曲線繪制
三、系統的開環幅相曲線繪制
四、典型環節Bode圖的繪制
五、開環對數頻率特性曲線繪制
六、由頻域實驗確定系統傳遞函數
第四節 奈奎斯特（Nyquist）穩定性判據
一、Nyquist穩定性判據
二、Nyquist穩定性判據的應用
三、穩定裕度
第五節 基于頻率響應的補償器設計
一、頻域指標與時域指標的關系
二、超前補償器的設計
三、滯後補償器的設計
第六節 系統的閉環頻率響應
一、閉環頻率特性
二、等M圓
三、等N圓
本章小結
習題六

第七章 線性離散時間控制系統分析與綜合
第一節 采樣過程與采樣定理
一、采樣過程的數學描述
二、采樣信號的頻譜分析
三、采樣定理
四、采樣信號的復現
第二節 Z變換基礎
一、Z變換
二、Z變換的幾個性質
三、Z反變換
四、改進Z變換
五、Z變換的局限性
第三節 線性離散系統的數學描述及求解
一、差分方程及其求解
二、脈沖傳遞函數
三、離散系統的狀態空間模型
第四節 離散系統的分析與設計
一、離散系統的穩定性
二、基于z域的分析與設計
三、基于頻率特性的分析與設計
第五節 數字控制系統簡介
一、基于連續系統的分析與設計
二、基于離散系統的分析與設計
本章小結
習題七

第八章 線性定常系統的狀態空間分析法
第一節 線性定常連續系統的能控性和能觀性
一、直觀理解
二、能控性定義和能觀性定義
三、能控性判別
四、能觀性判別
五、對偶原理
第二節 線性定常連續系統的線性變換與結構分解
一、非奇異線性變換
二、狀態空間的幾種標準型式
三、結構分解
四、狀態空間描述與傳遞函數描述的關系
第三節 線性定常連續系統的狀態反饋控制
一、狀態反饋控制的基本概念
二、閉環線性系統的能控性與能觀性
三、狀態反饋極點配置
四、狀態反饋鎮定
第四節 最優控制
一、最優控制概述
二、線性系統二次型最優控制問題
三、狀態調節器
第五節 線性定常連續系統的狀態觀測器
一、狀態觀測器
二、降維狀態觀測器
三、狀態觀測反饋系統（分離定理）
第六節 線性定常離散系統的狀態空間分析法
一、離散系統的能控性
二、離散系統的能觀性
三、連續系統與離散系統的關聯與區別
四、連續動態系統離散化後的能控性與能觀性
第七節 內模控制器設計
本章小結
習題八

第九章 非線性系統分析
第一節 控制系統中的典型非線性特性
一、典型非線性特性
二、非線性控制系統的特殊性
三、非線性控制系統的分析方法
第二節 相平面法
一、相平面的基本概念
二、相軌跡的性質
三、相軌跡的繪制
四、二階線性系統的相軌跡
五、非線性系統的相軌跡
六、由相軌跡求時間解
七、相平面分析
第三節 描述函數法
一、描述函數的概念
二、典型非線性特性的描述函數
三、描述函數分析法
第四節 李雅普諾夫穩定性分析
一、自治系統及其平衡狀態
二、李雅普諾夫穩定性定義
三、李雅普諾夫穩定性的間接判別法
四、李雅普諾夫穩定性的直接判別法
五、線性連續定常系統的李雅普諾夫穩定性分析
六、離散系統的李雅普諾夫穩定性分析
本章小結
習題九
附錄 拉普拉斯變換
參考文獻

“控制”是個常用詞，在人們日常生活與工作中出現的頻率非常高。現代漢語詞典對其所作的解釋是：“掌握住對象不使其任意活動或超出范圍；或使其按控制者的意愿活動”。在本教材中，“控制”往往是指通過對某個裝置或生產過程的某個或某些物理量進行操作，以達到使某個變量保持恒定或沿某個預設軌跡運動的一個動態過程。例如，對房間室內溫度與濕度、電機的轉速、鍋爐的壓力、機器人的動作、航天器的發射軌跡等的控制。在這些控制問題中，房屋、電機、鍋爐、機器人、航天器等被稱為被控對象；室內溫度與濕度、電機轉速、鍋爐壓力、航天器發射角度與速度等是控制的目的，稱為被控變量（簡稱被控量）；人們在控制過程中操縱的那些物理量則被稱為控制變量（簡稱控制量）或操縱變量。
那么，什么是控制系統呢？簡單地說，就是為了達到某種“目標”設計并按照人們意愿予以實施的一套系統。例如，城市道路交叉口的紅綠燈信號控制系統控制著各個方向的車輛，保證城市交通的安全與通暢。控制系統中的基本要素應該包含：?被控變量，也就是控制系統的目標；?被控對象；?檢測傳感器，通過它知道被控對象當前狀態；?控制器，體現設計者意愿的控制策略；?執行機構，實現控制目標的手段，如果控制系統在啟動工作之後不再需要人工干預而能自動地完成預先設置的任務，稱該系統是自動控制系統；否則為手動（或稱人工）控制系統。比如說，同為道路交叉口的交通系統，由交警指揮車輛通行是典型的人工控制系統；而若采用信號燈自動控制，則為自動控制系統。