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    本課程主要討論自動控制系統的基本分析與綜合方法。主要內容包括系統模型建立, 控制系統性能的時域分析和頻域分析, 線性系統的綜合設計方法、離散時間系統和非線性系統等。為了適用更多專業學生的學習, 在書的附錄A中給出了拉氏變換和反變換的基本內容定理和一般應用方法。

　　自動控制原理前言前言近年來，由于市場對自動化及智能裝備的需求旺盛，關注和學習自動控制原理或控制工程基礎的讀者也不斷增加。作者在長期的教學實踐和教學改革的基礎上，立足于認知、發現、探尋、創新的學習方法，汲取國內外有關本領域的教學和科研成果，并考慮MOOC課程特點，統一規劃，精心組織編寫了本書。

     本書系統地闡述了自動控制理論的基本概念、原理和分析方法及控制系統的時域與頻域綜合校正。全書共分9章，包括3個模塊。第1～5章為第1模塊，是控制理論的基本內容，主要討論自動控制系統概述、系統建模、時域分析法、根軌跡分析法及時域綜合。第6～7章為第2模塊，包括頻域分析方法與系統綜合校正，主要討論頻率特性、系統校正概述及基于頻域的系統校正設計。第8～9章為第3模塊，包括非線性系統的相平面和描述函數分析及線性離散時間系統的建模和分析。本科自動化專業建議采用所有內容，可安排54～72學時；非自動化專業建議采用除第4章外的第1模塊和（或）第2模塊的部分內容，可安排36學時。     本書在內容的組織上強調工程背景，注重理論聯系實際，用直觀和感性的物理概念、工程實例以及MATLAB仿真結果，使讀者充分理解和掌握控制系統的基本規律和系統綜合設計方法，其特點體現在以下幾個方面。1.內容編排模塊化，滿足多種需求本書將整個自動控制理論的基本知識分為3個模塊：時域分析與綜合、頻域分析與綜合校正、非線性與離散系統分析。各模塊內容相對獨立，逐步遞進，可滿足不同專業的需求。例如自動化專業可選擇全部內容，其他非自動化專業可選擇除第4章外的第1模塊和（或）第2模塊的部分內容。由于在第1模塊增加了1個章節專門討論了PID控制律的解析分析、MATLAB時域仿真、PID參數整定及實際實例PID設計的一般步驟，使第1模塊時域分析與綜合內容完整，不僅給少學時的控制類課程學習帶來了方便，同時還可提高自動化專業學生的綜合應用能力。2.貫穿工程教育思想，學以致用本書借鑒工程教育思想，使學生在認知、發現、探尋的實踐過程中學習新知識。在書中的多個章節，例如高階系統主導極點、穩定性、頻率特性等均以觀察仿真結果為起點，引導讀者認知、發現問題（規律），再配合解析推導，得到現象的本質。在編寫過程中，以應用為導向，注重理論聯系實際。例如在系統綜合中，不僅在時域對PID進行解析分析，以運動控制中的點到點控制方式討論PID控制特點，同時在頻域系統綜合中將PID與串聯校正的超前、滯后及滯后超前設計進行比較，使讀者從不同方面理解這兩種類型控制器的實質，同時更易理解實際工程中的帶濾波器的PID控制。以某型實際機器人肩關節角控制為例，討論PID控制器的設計步驟和具體過程，并應用高階系統簡化、多參數的根軌跡分析、PID調參的策略等來解決實際問題。另外在實例中還涉及實際系統的輸入指令設計及飽和限制等，使讀者可綜合應用所學知識和方法解決所遇到的問題。3.適應MOOC課程需要，構建自主學習環境為了更好地適應自主學習，本書各章末尾設有小結，概括該章的知識體系、重點和難點。同時設計了豐富的習題，包括問答題、基本習題和綜合仿真分析題，并在某些基本題后給出了參考答案，附錄B給出了各章典型習題的習題詳解，方便讀者自行檢查學習效果，為讀者解惑答疑。本書不僅專門設置章節講解MATLAB的應用方法，而且給出了書中所用MATLAB仿真的程序文本。

     本書第1章、第2章、第3章、第5章和附錄B由郭小勤編寫，第4章和第6章由潘劍飛編寫，第7章和附錄A由曹廣忠編寫，第8章和第9章由吳超編寫。全書由郭小勤統一修改定稿，書中的插圖由王鑫繪制。本書受到廣東省精品教材項目資助，同時也是全國地方高校UOOC（優課）聯盟《控制工程基礎》課程的指定教材。限于作者水平，書中難免有不足之處，懇請廣大讀者批評指正。

編者

2017年5月

第1章自動控制系統概述1
11自動控制的基本原理2111自動控制問題的引出2112控制方式5
12自動控制系統的基本組成1
13自動控制系統實例11131函數記錄儀11132磁盤驅動讀取系統12133導彈發射架方位控制13134機器人13
14自動控制系統的分類14141按給定輸入信號特征
分類14142按系統模型的數學特性
分類15143其他類型的分類16
15自動控制系統的基本要求16151穩定性16152快速性17153準確性17
16控制工程設計概論18161工程設計18162控制系統設計18163系統分析與設計工具
MATLAB19
17自動控制理論的發展概況20171早期的自動控制21172經典控制理論21173現代控制理論22
18小結22
19習題23
第2章控制系統的數學模型27
21控制系統的時域數學模型27211線性元件的微分方程28212控制系統微分方程的
建立33213線性系統的基本特性35214非線性系統的小偏差
線性化35
22線性系統的傳遞函數37221傳遞函數的定義和性質37222典型元部件的傳遞函數42
23結構圖及其等效變換48231結構圖的組成與繪制48232結構圖的等效變換51
24信號流圖及梅遜公式58241信號流圖的組成及性質58242信號流圖的繪制59243梅遜增益公式61
25閉環系統傳遞函數64
26控制系統建模的MATLAB
方法65
27數學模型的實驗測定法67
28小結68
29習題69
第3章時域分析法73
31控制系統時間響應的性能
指標73311典型輸入信號73312時間響應過程75313時域性能指標75
32一階系統時域分析77321數學模型78322單位階躍響應78323單位脈沖響應79324單位斜坡響應80
33二階系統時域分析82331數學模型82332單位階躍響應83333動態性能指標計算87334改善二階系統性能的常用
方法95
34高階系統時域分析101341高階系統的階躍響應101342閉環主導極點和動態性能
分析105
35穩定性分析107351穩定的概念和定義107352穩定的充要條件108353穩定的代數判據109
36穩態誤差分析115361誤差與穩態誤差116362給定信號作用下的穩態誤差
計算117363擾動作用下的穩態誤差
計算121364提高控制精度的措施123
37小結126
38習題127
第4章根軌跡分析法133
41根軌跡的基本概念133411根軌跡圖133412閉環零極點與開環零極點的
關系135413根軌跡方程137
42根軌跡的繪制法則138
43其他形式的根軌跡151431參數根軌跡151432零度根軌跡153
44基于MATLAB的根軌跡圖
繪制156
45根軌跡分析158451閉環零極點與時間
響應158452系統性能的定性分析159
46小結165
47習題166
第5章基本控制律與機器人關節角
控制分析170
51基本控制律分析171511比例(Ｐ)控制171512比例微分(PD)控制171513比例積分(PI)控制172514比例積分微分(PID)
控制173
52線性系統時域仿真的MATLAB
方法176521基于腳本文件的仿真176522基于模型文件的仿真178
53PID控制器的參數整定182531衰減曲線法182532穩定邊界法183533其他方法183
54機器人關節角控制系統設計
與分析184541某ARMⅡ電動肩關節角
控制系統185542PID控制律設計186543斜坡型輸入指令響應189
55小結190
56習題191
第6章頻域分析法193
61頻率特性193611頻率特性的基本概念193612頻率特性的圖形表示196
62典型環節的頻率特性199621比例環節199622積分環節和微分環節199623慣性環節和一階微分
環節201624振蕩環節與二階微分
環節203625延遲環節206
目錄63開環系統頻率特性圖
繪制207631開環伯德圖的繪制207632開環極坐標圖的近似
繪制211633最小相位系統214
64頻域穩定性判據217641幅角原理217642奈奎斯特穩定性判據219
65穩定裕度225651相位裕度225652幅值裕度226
66閉環頻率特性228
67基于MATLAB的頻率特性
圖繪制229
68頻率特性分析232681三頻段的概念232682開環頻域指標與時域指標的
關系233683閉環頻域指標與時域指標的
關系235
69小結237
610習題238
第7章控制系統的綜合與校正242
71系統校正的基本概念242711性能指標243712校正方式243713校正設計方法245
72常用串聯校正裝置及其
特性246721超前校正網絡246722滯后校正網絡249723滯后超前校正
網絡252
73串聯校正的頻域法設計254731串聯超前校正設計254732串聯滯后校正設計260733串聯滯后超前設計265734期望開環對數幅頻特性
設計法268
74反饋校正與復合校正269741反饋校正的原理與
特點269742復合校正272
75小結275
76習題275
第8章非線性系統279
81控制系統的非線性特性279811典型的非線性特性279812非線性系統的若干
特征281813非線性控制系統的分析與
設計方法283
82描述函數法283821描述函數定義283822典型非線性特性的描述
函數285823非線性系統描述函數法
分析288
83相平面法291831相平面法的基本概念291832相平面圖的繪制292833相軌跡的基本特性294
834非線性系統的相平面法
分析296
84非線性系統分析的MATLAB
方法299
85小結301
86習題302
第9章離散控制系統304
91離散控制系統基本
概念304911采樣控制系統304912數字控制系統305913離散控制系統的特點306
92信號采樣和復現306921信號采樣306922采樣信號頻譜分析307923香農采樣定理308924信號復現308
93z變換及反變換310931z變換定義310932z變換的求法311933z變換的性質312934z反變換313
94離散系統的數學模型315941差分方程315942脈沖傳遞函數316
95離散控制系統性能分析323951離散控制系統的
穩定性323952離散控制系統的穩態
誤差327953離散系統動態性能330
96線性離散系統分析的MATLAB
方法332
97小結335
98習題335
附錄A拉氏變換概述337
A1拉普拉斯變換的定義337
A2幾種典型函數的拉氏
變換337A21單位階躍函數1(t)的
拉氏變換337A22指數函數f(t)=e－at的
拉氏變換338A23正弦函數與余弦函數的拉氏
變換338A24單位脈沖函數δ(t)的拉氏
變換339A25單位斜坡函數的拉氏
變換339A26單位加速度函數的拉氏
變換340
A3拉氏變換的主要定理340A31疊加定理341A32微分定理341A33積分定理341A34復數位移定理342A35終值定理342
A4拉普拉斯反變換344
A5應用拉氏變換解線性微分
方程347
附錄B精選習題詳解349
B1第1章習題349
B2第2章習題350
B3第3章習題352
B4第4章習題355
B5第6章習題357
B6第7章習題361
B7第8章習題362
B8第9章習題365
參考文獻368