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1.内容简介

    本书是为了适应应用型高等院校工程教育改革而编写的控制类课程基础教材，主要介绍了经典控制理论的基本内容、控制系统的分析方法及系统校正设计方法。在讲解控制理论基础知识的同时，介绍了一些典型的控制系统，有利于读者更好地掌握经典控制理论的内容。全书共分7章，包括绪论、控制系统的数学模型、控制系统的时域分析、根轨迹法、频域分析法、控制系统的校正方法、非线性系统分析。为了能够使学生更有效地进行控制理论的学习和应用，本书在相关章节加入了基于MATLAB的计算机辅助分析和设计的内容。每章配有相应的习题。本书可作为高等院校自动化、电气工程及其自动化、测控技术及仪器、电子信息工程、机械、动力等专业的教科书，也可作为从事自动控制类的工程技术人员的参考用书。

2.前言

    自动控制原理是自动化学科的重要基础理论，同时又是系统学科、信息学科、机械学科等相关学科的应用基础，在工业、军事、社会和经济等领域有着广泛的应用。随着计算机技术的迅猛发展，经典控制理论的许多分析、设计方法及实现手段也产生了很大的变化。在此背景下，根据应用型工科人才培养的需要，结合相关专业的教学大纲，编写了本书。旨在使读者通过学习，不仅能掌握经典控制理论基本的分析和设计方法，也能使用计算机辅助工具——MATLAB对控制系统进行分析。
    本书的编者都是“自动控制原理”课程教学的一线教师，从事该课程教学的平均教龄超10年，有丰富的教学经验，十分了解当前学生的需求及该课程的发展历程。本书定位于工程应用型人才培养，广泛参考国内外优秀教材内容和体系结构，结合编者教学经验而编写，在编写过程中，力求内容简练、概念清晰、循序渐进、深入浅出、联系实际，以符合教学规律；在保证系统理论的完整性和系统性的基础上，尽量避免繁杂的公式推导，使全书条理清晰、结构严谨；将目前使用最为广泛的控制系统分析和综合设计软件包——MATLAB融入到教学内容中。另外，为了便于理解和巩固所学的内容，方便不同层次的学生和读者自学，各章都附有典型例题和习题。
    教材主要内容简介如下：
    第1章对自动控制理论的发展系统组成、系统分类等进行了简单介绍。
    第2章介绍控制系统的数学描述方法，系统地介绍了控制系统的数学模型以及利用结构图等效化简和梅逊增益公式确定系统闭环传递函数的方法。
    第3章介绍了线性系统的时域分析方法，引入了控制系统的性能指标及其计算方法，重点对系统的稳定性、快速性、准确性的分析方法进行了讨论。
    第4章介绍了线性系统根轨迹分析方法，重点讨论了根轨迹的绘制法则、根轨迹的绘制步骤以及利用根轨迹分析系统性能的方法。
    第5章介绍了系统频域分析方法，着重介绍奈奎斯特图和伯德图的绘制方法，以及如何利用奈奎斯特图和伯德图对控制系统的开环频率特性进行分析。
    第6章介绍了控制系统的综合和校正方法，主要介绍了采用频率特性进行系统校正的方法，叙述了超前校正、滞后校正以及滞后超前校正的设计方法。
    第7章介绍非线性系统分析，主要有相平面法和描述函数法。
    本书由谢成祥、张燕红担任主编，高敏、田会峰、陈伦琼担任副主编。第1章由常州工学院的陈伦琼编写，第2章由常州工学院的高敏编写，第3、4章由常州工学院的张燕红编写，第5、6章由常州工学院的谢成祥编写，第7章由江苏科技大学的田会峰编写，全书由张燕红统稿。
    本书由常州工学院的谢成祥、张燕红担任主编，常州工学院的高敏、江苏科技大学的田会峰、常州工学院的陈伦琼担任副主编。第1章由陈伦琼编写，第2章由高敏编写，第3、4章由张燕红编写，第5、6章由谢成祥编写，第7章由田会峰编写，全书由张燕红统稿。
    由于编者水平有限，书中难免有疏漏和不妥之处，恳请读者批评指教。

编者
2018年8月

3.目录

1绪论(1)
1.1自动控制理论及应用(1)
1.2自动控制理论的基本内容(1)
1.3自动控制系统的分类(2)
1.3.1按信号传递路径分类(2)
1.3.2按控制作用的特点分类(3)
1.3.3控制系统的其他类型(4)
1.4自动控制系统的基本组成(4)
1.5自动控制系统的基本要求(5)
小结(6)
习题(7)
2控制系统的数学模型(8)
2.1系统动态微分方程模型(8)
2.2非线性数学模型的线性化(11)
2.3传递函数(12)
2.3.1传递函数的定义(13)
2.3.2传递函数的性质(14)
2.3.3传递函数的求取(14)
2.3.4典型环节的传递函数(15)
2.3.5控制系统的传递函数(18)
2.4系统结构图及其等效变换(19)
2.4.1动态结构图的概念(20)
2.4.2动态结构图的绘制(20)
2.4.3动态结构图的等效变换(21)
2.5信号流图与梅逊公式(25)
2.5.1信号流图的组成要素及其术语(25)
2.5.2信号流图的绘制(26)
2.5.3梅逊（Mason）公式(27)
2.6在MATLAB中系统数学模型的表示(29)
2.6.1传递函数模型(29)
2.6.2零极点增益(ZPK)模型(31)
2.6.3系统数学模型之间的转换(31)
2.6.4系统的连接(33)
小结(34)
习题(34)
3线性系统的时域分析法(38)
3.1典型输入信号和时域性能指标(38)
3.1.1典型输入信号(39)
3.1.2时域性能指标(40)
3.2一阶系统的时域分析(41)
3.2.1一阶系统的结构图和数学模型(41)
3.2.2一阶系统的单位阶跃响应(42)
3.2.3一阶系统的单位斜坡响应(43)
3.2.4一阶系统的单位脉冲响应(43)
3.3二阶系统的时域分析(44)
3.3.1二阶系统的结构图和数学模型(44)
3.3.2二阶系统的单位阶跃响应(45)
3.3.3二阶系统的动态性能指标(49)
3.4高阶系统的时域分析(53)
3.4.1高阶系统的瞬态响应(54)
3.4.2闭环主导极点(55)
3.5线性系统的稳定性分析(55)
3.5.1稳定性的概念 (55)
3.5.2线性系统稳定的充要条件(56)
3.5.3劳斯判据(57)
3.5.4控制系统的相对稳定性(61)
3.6线性系统的稳态性能分析(62)
3.6.1稳态误差定义(62)
3.6.2控制系统的类型(63)
3.6.3给定稳态误差的计算(64)
3.6.4扰动稳态误差的计算(67)
3.7提高系统性能的方法(69)
3.7.1比例(P)控制(69)
3.7.2积分( I )控制(70)
3.7.3比例加积分(PI)控制(70)
3.7.4比例加微分(PD)控制(71)
3.7.5比例加积分加微分(PID)控制(73)
3.8用MATLAB进行线性系统的时域分析(74)
3.8.1应用MATLAB分析系统的稳定性(74)
3.8.2应用MATLAB进行部分分式展开(74)
3.8.3应用MATLAB分析系统的动态特性(76)
3.8.4用ltiview获得响应曲线和性能指标(81)
小结(82)
习题(83)
4线性系统的根轨迹法(86)
4.1根轨迹的基本概念(86)
4.1.1根轨迹图(86)
4.1.2根轨迹的幅值条件和相角条件(87)
4.2绘制根轨迹的规则和方法(89)
4.3广义根轨迹(101)
4.3.1广义根轨迹的绘制(101)
4.3.2多回路系统的根轨迹绘制(101)
4.3.3正反馈回路的根轨迹(103)
4.4根轨迹的应用(106)
4.4.1分析系统的性能(106)
4.4.2闭环零、极点位置与系统瞬态响应的关系(109)
4.4.3增加开环零点、开环极点对根轨迹的影响(109)
4.5应用MATLAB进行根轨迹分析(111)
4.5.1绘制基本根轨迹图(111)
4.5.2根轨迹分析系统性能(115)
小结(119)
习题(119)
5控制系统的频率特性法(121)
5.1频率特性的基本概念(121)
5.1.1频率特性的定义(121)
5.1.2频率特性的性质(123)
5.1.3频率特性的表示方法(123)
5.2幅相频率特性曲线（极坐标图）的绘制(125)
5.2.1典型环节频率特性的极坐标图(126)
5.2.2系统开环幅相曲线（极坐标图）的绘制(129)
5.2.3开环幅相曲线的一般绘制规则(132)
5.3对数频率特性曲线(134)
5.3.1典型环节的对数频率特性图(134)
5.3.2开环对数频率特性的绘制(139)
5.3.3最小相位系统(142)
5.3.4从伯德图求开环传递函数(143)
5.4奈奎斯特(Nyquist)稳定判据(146)
5.4.1幅角原理(146)
5.4.2奈奎斯特稳定判据(147)
5.4.3奈奎斯特稳定判据在伯德图上的应用(152)
5.5稳定裕度(153)
5.6开环频率特性与系统性能指标的关系(156)
5.6.1闭环频率特性及其性能指标(156)
5.6.2控制系统频域指标与时域指标的关系(157)
5.6.3开环对数幅频特性与系统动态性能的关系(160)
5.7用MATLAB进行频域分析(162)
小结(169)
习题(170)
6控制系统的校正方法(173)
6.1前言(173)
6.2系统校正的基本概念(174)
6.2.1性能指标(174)
6.2.2校正方式(176)
6.2.3校正装置的设计方法(177)
6.3串联校正(177)
6.3.1超前校正(177)
6.3.2滞后校正(182)
6.3.3滞后超前校正(186)
6.3.4超前、滞后和滞后超前校正的比较(190)
6.3.5串联校正的期望对数频率特性设计法(190)
6.3.6串联工程设计法(195)
6.4反馈校正(197)
6.5基于MATLAB的校正装置频域设计(202)
小结(210)
习题(210)
7非线性控制系统分析(213)
7.1非线性控制系统的基本概念和特点(213)
7.1.1典型非线性环节(213)
7.1.2非线性系统的特点(215)
7.1.3非线性系统的研究方法(216)
7.2描述函数法(216)
7.2.1描述函数的基本思想与应用前提(216)
7.2.2描述函数的定义(217)
7.2.3典型非线性特性的描述函数(218)
7.2.4组合非线性环节的描述函数(220)
7.2.5基于描述函数的非线性系统稳定性分析(222)
7.2.6非线性系统存在周期运动时的稳定性分析(223)
7.3相平面法(227)
7.3.1基本概念(227)
7.3.2相平面图绘制方法(228)
7.3.3相平面、相轨迹的特点(230)
7.3.4线性系统基本的相轨迹(230)
7.3.5非线性系统的相平面分析(235)
7.3.6非线性系统相平面分区线性化方法(236)
7.4用MATLAB进行非线性控制系统分析(238)
7.4.1非线性系统的线性化(238)
7.4.2直接求解非线性微分方程(238)
7.4.3运用Simulink分析非线性系统时域响应(239)
小结(241)
习题(242)

附录A拉普拉斯变换(245)
A.1拉氏变换的概念(245)
A.1.1拉氏变换的定义式(245)
A.1.2常用函数的拉氏变换(245)
A.2拉氏变换的性质(247)
A.2.1线性性质(247)
A.2.2微分性质(247)
A.2.3积分性质(248)
A.2.4位移性质(248)
A.2.5延迟性质(249)
A.2.6相似性质(249)
A.2.7初值定理(249)
A.2.8终值定理(250)
A.3拉氏反变换(251)
A.3.1F(s)的所有极点都是不相等的实数(251)
A.3.2F(s)的极点包含有共轭复数(252)
A.3.3F(s)的极点包含有相等的实数(253)
附录B常用函数的拉普拉斯变换(255)

参考文献(256)