自动控制原理-(第3版)-(非自动化专业)

内容简介

本书介绍自动控制原理的基本概念和方法，包括经典控制理论和现代控制理论的主要内容，适合作为信息学科本科学生平台课程教材和非自动控制专业理工科学生的教材。全书共9章：第1章 绪论，介绍自动控制系统的基本概念、定义、术语；第2章 控制系统的数学模型，介绍连续系统的时域模型、复域模型、状态空间描述；第3章 控制系统的时域分析，对系统动态性能、稳态性能和稳定性进行分析的方法作了详细的讨论；第4章 根轨迹法，介绍根轨迹的绘制方法和利用根轨迹对系统进行分析的基本方法；第5章 控制系统的频域分析，介绍线性系统频率特性的概念和频域分析方法；第6章 线性控制系统设计与综合，介绍线性系统设计与综合的基本概念和常用的设计方法；第7章 采样系统分析，介绍了z变换、脉冲传递函数以及离散系统的分析方法；第8章 状态空间分析设计，讨论了线性定常系统的状态空间分析和基本设计方法；第9章 MATLAB在控制系统分析中的应用，介绍MATLAB在控制系统设计工具箱中的主要函数和应用实例。各学校和专业可根据实际情况，选择有关章节组织教学。
本书的特点是内容精炼，重点突出，强调基本概念、基本原理的掌握与应用，适合非自动化专业本科生自动控制原理教学的要求。

目录

第1章 绪论 1
1.1 自动控制的基本概念 1
1.1.1 基本概念 1
1.1.2 开环控制与闭环控制的实例 2
1.2 自动控制理论的发展 3
1.3 控制系统的分类 5
1.4 对控制系统的基本要求 6
本章小结 6
习题1 6
第2章 控制系统的数学模型 8
2.1 基本概念 8
2.2 时域模型——微分方程 9
2.2.1 建立系统或元件微分方程的步骤 9
2.2.2 典型系统的微分方程 10
2.2.3 非线性方程线性化方法 13
2.3 复域模型——传递函数 14
2.3.1 传递函数的定义 14
2.3.2 传递函数的性质和物理意义 15
2.3.3 典型环节的传递函数 16
2.3.4 传递函数的表示方式和术语 18
2.4 控制系统方块图 19
2.4.1 方块图简介 19
2.4.2 方块图的化简 20
2.4.3 闭环系统的方块图和传递函数 23
本章小结 26
习题2 27
第3章 线性系统的时域分析 29
3.1 系统的稳定性分析 29
3.1.1 稳定的概念 29
3.1.2 稳定的充要条件 30
3.1.3 劳斯稳定判据 31
3.2 二阶系统的动态性能分析 36
3.2.1 典型输入信号 37
3.2.2 动态性能指标 38
3.2.3 二阶系统的时域响应 38
3.2.4 高阶系统的时域响应 44
3.3 系统稳态性能分析 46
3.3.1 稳态误差的定义 47
3.3.2 输入信号作用下系统的稳态误差 47
3.3.3 扰动信号作用时系统的稳态误差 51
本章小结 53
习题3 53
第4章 根轨迹法 57
4.1 根轨迹的基本概念 57
4.2 绘制根轨迹的基本规则 58
4.3 控制系统根轨迹的绘制 63
4.4 广义根轨迹 68
4.4.1 以非K*为变参数的根轨迹 68
4.4.2 正反馈系统的根轨迹 69
4.4.3 非相位系统的根轨迹 70
4.5 线性系统的根轨迹分析方法 73
4.5.1 主导极点的概念 73
4.5.2 增加开环零极点对根轨迹的影响 75
本章小结 77
习题4 77
第5章 线性系统的频域分析法 79
5.1 线性系统的频率响应 79
5.2 频率特性的图形表示 81
5.2.1 幅相频率特性曲线 81
5.2.2 对数频率特性曲线 89
5.3 奈奎斯特稳定性判据 97
5.3.1 奈奎斯特稳定判据的数学基础 97
5.3.2 奈奎斯特稳定判据 98
5.4 控制系统的相对稳定性 102
5.4.1 相对稳定性 102
5.4.2 稳定裕度的求取 104
5.5 频域响应分析 107
5.5.1 频域性能指标 107
5.5.2 频域指标与时域指标的关系 107
本章小结 110
习题5 110
第6章 线性系统的校正 114
6.1 系统设计与校正的概念 114
6.1.1 系统性能指标 114
6.1.2 校正的实质 115
6.1.3 校正方式 116
6.1.4 对数幅频特性的形状对系统性能指标的影响 116
6.2 常用校正装置 118
6.2.1 无源超前网络 118
6.2.2 无源滞后网络 119
6.2.3 滞后-超前无源网络 120
6.3 串联校正的频率法设计 120
6.3.1 串联超前校正 120
6.3.2 串联滞后校正 122
6.3.3 串联滞后-超前校正 124
6.4 PID调节器 125
6.4.1 PID的基本控制作用 126
6.4.2 PID控制器的参数确定 128
本章小结 131
习题6 131
第7章 采样系统分析 133
7.1 引言 133
7.2 信号的采样与保持 133
7.2.1 采样信号的数学表示 133
7.2.2 采样信号的频谱分析 134
7.2.3 采样定理 135
7.2.4 信号的保持 136
7.3 z变换 137
7.3.1 z变换的定义 137
7.3.2 z变换的求法 137
7.3.3 z变换的性质 139
7.3.4 z反变换 141
7.4 采样系统的脉冲传递函数 143
7.4.1 脉冲传递函数的定义和意义 143
7.4.2 脉冲传递函数的求法 144

摘要与插图

长期以来，自动控制科学对整个科学技术的理论和实践做出了巨大贡献，为社会发展带来了巨大的利益。自动控制理论作为一门涉及多学科的科学，已广泛应用到电气、机械、化工、冶金、航空航天、核反应等工程领域，并进一步扩展到生命科学、社会发展和经济、金融等工程领域以外的范围，渗透到人类生活的各个方面。理论、技术的发展与应用，多学科的交叉与融合，使得人类利用自动控制技术已经并正在把许多梦想变成现实。
自动控制原理是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。从20世纪40年代经典控制理论体系建立至今，自动控制技术一直是伴随着生产实际和社会需要发展起来的，其理论在实际应用和与其他相关学科交叉渗透中日臻完善并不断发展和创新。随着现代科学的日新月异，自动控制理论已经成为应用广泛的学科之一，其发展前景和潜力是无可的。
自动控制原理是高等学校控制理论与控制工程专业的主干课程，目前国内各高校编写出版的相应教学用书已有多本，这类教材主要适应自动化专业本科生的教学需要，课内教学一般为100多学时。随着信息化、自动化技术的发展，许多高校把自动控制原理作为信息大类专业的平台课程，同时，机械、交通、能源、化工等专业也都开设了自动控制原理课程，因此，针对非自动化专业的教学需要，急需编写适合少学时数教学需要的自动控制原理教材。本书的编写目的正是为了适应工科院校非自动化专业本科生自动控制理论教学和信息学科平台课程的教学需要，适合作为少学时数自动控制原理的教学用书。本书第1、2版分别于2003年、2008年由化学工业出版社出版，第3版是在前2版的基础上，根据教育教学需要、学科发展，并广泛收集广大师生的反馈意见基础上，修订而成的。
本书旨在通过对非自动化专业本科生的课堂教学，使学生能理解和掌握自动控制的基本原理、基本技术和基本方法，拓宽学生的思路和视野，使其能将自动控制的理论与方法运用到各自所学专业之中，提高学生的理论知识水平和实际应用能力。
本书涵盖了自动控制理论的主要内容和基本概念，全书共9章。第1章在介绍自控制理论和控制系统的基本概念和定义的基础上，通过实例说明了自动控制系统的组成和控制过程，阐述了自动控制理论发展的各个阶段，提出了控制系统的分类方法和对系统控制的一般要求。第2章主要介绍了线性系统数学模型的描述和建立方法，包括时域模型——微分方程，以及在经典控制理论中使用广泛的一种复域模型——传递函数，基于传递函数的概念，介绍了用方块图表示系统结构的“图解模型”和通过方块图化简求取系统传递函数的方法。第3章对线性系统时域分析的基本方法进行了阐述，主要讨论了系统稳定性、瞬态性能和稳态性能分析，介绍了劳斯稳定判据、二阶系统性能指标分析和计算，以及稳态误差求取。第4章介绍了一种在工程上对系统进行分析的图解方法——根轨迹法，给出了绘制根轨迹图的基本规则和利用根轨迹对系统进行分析的基本方法。第5章介绍了线性系统频率特性的概念，频率特性的图形表示，着重讨论了频域中系统稳定性分析方法——奈奎斯特稳定判据，介绍了相对稳定性的概念、稳定裕度，以及频域指标的计算。第6章介绍线性系统校正的基本概念、校正原理和方法步骤，常用的校正装置及其特性，着重讨论了PID控制器的设计及其在系统校正中的作用。 第7章讨论了离散系统的基本理论和分析方法，介绍了采样定理、z变换及其性质，给出了脉冲传递函数的概念，在此基础上，对采样系统的稳定性、稳态性能和动态性能的分析方法做了介绍。第8章介绍了现代控制理论的有关内容，主要包括状态空间模型的建立、系统的可控性和可观测性，以及线性系统