自動控制理論（簡體書）

《21世紀高等院校電氣信息類系列教材：自動控制理論》以經典控制理論為主，較全面地闡述了自動控制的基本理論與應用。全書共分8章，主要內容包括緒論、控制系統的數學模型、時域分析法、根軌跡分析法、頻率特性分析法、控制系統的校正，線性離散控制系統的基礎理論、數學模型、性能分析及校正，非線性控制系統分析以及在MATLAB與Simulink支持下對控制系統的計算機輔助分析與設計。書末給出的3個附錄可供讀者在學習本書的過程中查詢之用。全書內容簡練，闡述深入淺出；為了便於自學，各章均附有豐富的例題和習題。
《21世紀高等院校電氣信息類系列教材：自動控制理論》可作為電氣與電子信息學科各專業，機械、化工、航空航天等非電類相關專業的本科生和研究生教材，也可供有關工程技術人員參考。·

葉永烈，上海作家協會專業作家，一級作家，教授。1940年生於浙江溫州。1963年畢業於北京大學。11歲起發表詩作，19歲寫出第一本書，20歲時成為《十萬個為什麼》主要作者，21歲寫出《小靈通漫遊未來》。主要新著為150萬字的“紅色三部曲”──《紅色的起點》、《歷史選擇了毛澤東》、《毛澤東與蔣介石》，展現了從中國共產黨誕生到新中國誕生的紅色歷程；《反右派始末》全方位、多角度反映了1957年“反右派運動”的全過程；180萬字的長卷《“四人幫”興亡》以及《陳伯達傳》、《王力風波始末》，是中國十年“文革”的真實寫照。《鄧小平改變中國》是關於中共十一屆三中全會全景式紀實長篇。《受傷的美國》是關於美國911事件這一改變世界歷史進程重大事件的詳細記錄。此外，還有《用事實說話》、《出沒風波裡》、《歷史在這裡沉思》、《陳雲之路》、《中共中央一支筆──胡喬木》、《走近錢學森》、《美國自由行》、《星條旗下的生活》、《俄羅斯自由行》、《歐洲自由行》、《澳大利亞自由行》、《真實的朝鮮》、《今天的越南》、《櫻花下的日本》、《南洋風情》、《面對“韓流”》、《多嬌海南》等。·

《21世紀高等院校電氣信息類系列教材:自動控制理論》以經典控制理論為主，較全面地闡述了自動控制的基本理論與應用。可作為電氣與電子信息學科各專業，機械、化工、航空航天等非電類相關專業的本科生和研究生教材，也可供有關工程技術人員參考。

前言
第1章 緒論
1.1 引言
1.2 自動控制系統概述
1.2.1 自動控制的基本概念
1.2.2 自動控制系統的基本組成
1.2.3 自動控制系統的基本控制方式
1.3 自動控制系統的分類
1.3.1 按信號傳送特點或系統結構特點分類
1.3.2 按給定信號特點分類
1.3.3 按數學描述分類
1.3.4 按時間信號的性質分類
1.3.5 按系統參數是否隨時間變化分類
1.4 對控制系統的要求和本課程的主要任務
1.4.1 對控制系統的基本要求
1.4.2 本課程的主要任務與控制系統的設計原則
1.5 本章小結
1.6 習題

第2章 控制系統的數學模型
2.1 引言
2.2 微分方程
2.2.1 線性系統微分方程的建立
2.2.2 非線性特性的線性化
2.2.3 微分方程的求解
2.3 傳遞函數
2.3.1 傳遞函數與脈衝響應函數
2.3.2 典型環節及其傳遞函數
2.4 結構圖及其等效變換
2.4.1 結構圖的基本概念
2.4.2 結構圖的建立
2.4.3 結構圖的等效變換
2.5 信號流圖與梅遜公式
2.5.1 信號流圖的基本概念
2.5.2 梅遜公式及其應用
2.6 閉環系統的傳遞函數
2.6.1 閉環系統的開環傳遞函數
2.6.2 閉環系統的傳遞函數
2.7 控制系統中數學模型的MATLAB描述
2.7.1 傳遞函數模型
2.7.2 零極點模型
2.7.3 傳遞函數模型與零極點模型間的相互轉換
2.7.4 控制系統模型的連接
2.8 本章小結
2.9 習題

第3章 時域分析法
3.1 典型輸入信號和時域性能指標
3.1.1 典型輸入信號
3.1.2 控制系統的時域性能指標
3.2 一階系統的時域分析
3.2.1 數學模型
3.2.2 單位階躍響應
3.2.3 單位脈衝響應
3.2.4 單位斜坡響應
3.3 二階系統的時域分析
3.3.1 數學模型
3.3.2 單位階躍響應
3.3.3 單位脈衝響應
3.3.4 具有零點的二階系統分析
3.3.5 二階系統的性能改善
3.4 高階系統的時域分析
3.4.1 高階系統的單位階躍響應
3.4.2 系統階躍響應與閉環零、極點關係的定性分析
3.4.3 閉環主導極點和偶極子
3.4.4 高階系統的動態性能估算
3.5 線性系統的穩定性分析
3.5.1 穩定性基本概念
3.5.2 線性系統穩定的充要條件
3.5.3 勞斯判據
3.5.4 赫爾維茨穩定判據
3.5.5 穩定判據的應用
3.6 線性系統的穩態誤差
3.6.1 誤差與穩態誤差的定義
3.6.2 給定信號作用下的穩態誤差與靜態誤差係數
3.6.3 擾動信號作用下的穩態誤差與系統結構的關係
3.6.4 用動態誤差係數法計算系統的穩態誤差
3.6.5 提高系統穩態精度的措施
3.7 用MATLAB進行時域響應分析
3.7.1 MATLAB函數指令方式下的時域響應分析
3.7.2 利用Simulink動態結構圖的時域響應仿真
3.7.3 判別系統穩定性
3.8 本章小結
3.9 習題

第4章 根軌跡分析法
4.1 根軌跡的基本概念
4.1.1 根軌跡的定義
4.1.2 根軌跡方程
4.2 繪製根軌跡的基本法則
4.3 廣義根軌跡
4.3.1 零度根軌跡
4.3.2 參量根軌跡
4.3.3 多回路系統的根軌跡與根軌跡族
4.4 控制系統的根軌跡分析
4.4.1 閉環系統零、極點的確定
4.4.2 閉環零、極點分佈與階躍響應關係的定性分析
4.4.3 增加開環零、極點對根軌跡的影響
4.5 用MATLAB繪製系統根軌跡圖
4.6 本章小結
4.7 習題

第5章 頻率特性分析法
5.1 頻率特性的基本概念
5.1.1 頻率特性的定義
5.1.2 頻率特性和傳遞函數的關係
5.1.3 正弦輸入信號下穩態誤差的計算
5.1.4 頻率特性的表示方法
5.2 典型環節的頻率特性
5.3 系統開環頻率特性的繪製
5.3.1 開環幅相頻率特性（極坐標圖）的繪製
5.3.2 開環對數頻率特性（伯德圖）的繪製
5.3.3 最小相位系統與非最小相位系統
5.4 奈奎斯特穩定判據
5.4.1 奈奎斯特判據的數學基礎
5.4.2 奈奎斯特判據
5.4.3 開環傳遞函數中有積分環節時奈奎斯特判據的應用
5.4.4 對數穩定判據
5.5 控制系統的相對穩定性
5.6 用頻率特性分析系統品質
5.6.1 閉環頻率特性及其特徵量
5.6.2 頻域性能指標與時域性能指標的關係
5.6.3 開環對數頻率特性與時域響應的關係
5.7 系統傳遞函數的實驗確定法
5.7.1 用正弦信號相關分析法測試頻率特性
5.7.2 由伯德圖確定系統的傳遞函數
5.8 MATLAB在頻域分析中的應用
5.9 本章小結
5.1 0習題

第6章 控制系統的校正
6.1 系統校正的基本概念
6.1.1 校正的一般概念
6.1.2 系統的性能指標
6.1.3 系統的校正方式
6.1.4 校正裝置的設計方法
6.2 常用校正裝置及其特性
6.2.1 超前校正裝置
6.2.2 滯後校正裝置
6.2.3 滯後超前校正裝置
6.3 頻率法串聯校正
6.3.1 串聯超前校正
6.3.2 串聯滯後校正
6.3.3 串聯滯後超前校正
6.3.4 PID校正
6.3.5 串聯綜合法（期望特性法）校正
6.4 頻率法反饋校正
6.4.1 反饋校正對系統特性的影響
6.4.2 綜合法反饋校正
6.5 MATLAB在系統校正中的應用
6.5.1 超前校正
6.5.2 滯後校正
6.5.3 PID校正
6.6 本章小結
6.7 習題

第7章 線性離散控制系統
7.1 離散控制系統概述
7.1.1 連續信號和離散信號
7.1.2 離散控制系統
7.2 信號的採樣與保持
7.2.1 採樣與採樣方式
7.2.2 採樣過程的數學描述
7.2.3 採樣定理
7.2.4 零階保持器
7.3 z變換
7.3.1 z變換的定義
7.3.2 z變換的求法
7.3.3 z變換的基本定理
7.3.4 z反變換
7.4 離散系統的數學模型
7.4.1 線性常係數差分方程
7.4.2 脈衝傳遞函數
7.4.3 差分方程和脈衝傳遞函數之間的相互轉換
7.5 離散系統的動態性能分析
7.5.1 閉環極點的分佈與動態性能的關係
7.5.2 s平面與z平面的映射關係
7.5.3 離散控制系統的時間響應及動態性能指標
7.6 離散系統的穩定性分析
7.6.1 穩定的充要條件
7.6.2 勞斯穩定判據
7.6.3 朱利穩定判據
7.7 離散系統的穩態誤差分析
7.7.1 單位階躍輸入時的穩態誤差
7.7.2 單位斜坡輸入時的穩態誤差
7.7.3 單位抛物線輸入時的穩態誤差
7.8 離散系統的校正
7.8.1 校正方式
7.8.2 數字控制器的脈衝傳遞函數
7.8.3 最少拍系統及其設計
7.9 MATLAB在離散系統中的應用
7.9.1 脈衝傳遞函數的建立
7.9.2 連續系統的離散化
7.9.3 離散系統的動態響應
7.1 0本章小結
7.1 1習題

第8章 非線性控制系統分析
8.1 非線性控制系統概述
8.1.1 非線性系統的特徵
8.1.2 典型非線性環節及其對系統的影響
8.1.3 非線性系統的分析與設計方法
8.2 描述函數法
8.2.1 描述函數的基本概念
8.2.2 典型非線性特性的描述函數
8.2.3 用描述函數法分析非線性系統
8.2.4 非線性系統的簡化
8.3 相平面法
8.3.1 相平面的基本概念
8.3.2 相軌跡的繪製
8.3.3 線性系統的相軌跡
8.3.4 奇點與奇線
8.3.5 非線性系統的相平面法分析
8.3.6 利用非線性特性改善系統的控制性能
8.4 MATLAB在非線性系統分析中的應用
8.5 本章小結
8.6 習題

附錄
附錄A 常用函數的拉普拉斯變換表
附錄B 拉普拉斯變換的一些定理
附錄C 常用函數的z變換表
參考文獻·

1.根軌跡法
根軌跡法的設計思想是假定校正后的閉環系統具有一對主導共軛復數極點，系統的性能主要由這一對主導極點的位置所決定。設計過程是在根平面上進行的，因此是一種圖解設計方法。
如果原系統的性能指標不滿足要求，可以引入適當的校正裝置，利用其零、極點去改變原來根軌跡的形狀，迫使校正后系統的根軌跡通過所期望的主導極點的應有位置，以達到校正的目的。
2.頻率特性法
頻率特性法的設計思想是利用校正裝置改變原系統頻率特性的形狀，使其具有合適的低頻段、中頻段和高頻段，從而獲得滿意的靜態和動態性能。
頻率法校正是一種簡便的圖解設計方法，既可以在奈奎斯特曲線上進行，又可以在伯德圖或尼可爾斯圖上進行，但采用伯德圖校正的居多。原因有兩個：一是因為伯德圖易于繪制，二是因為在伯德圖上能夠清楚地看出影響系統性能的因素是什么，特性曲線應如何改變，應當引入何種形式的校正裝置等，從而通過作圖較方便地求得校正裝置的形式和參數。
在頻率法中，校正裝置的設計有分析法和綜合法兩種設計方法。
（1）分析法
首先在對原系統進行分析的基礎上，根據要求的性能指標選取校正裝置的基本形式，然后計算校正裝置的參數，并檢驗是否滿足要求的性能指標。若滿足要求，則設計完成，否則重新計算校正裝置的參數，直到得到滿足要求的性能指標為止。因此，分析法在一定程度上帶有試探的性質，故又稱為試探法。用分析法設計校正裝置比較直觀，在物理上易于實現，但要求設計者有一定的工程設計經驗。