本書是廣東省精品資源共享課 "自動控制原理”的主教材，是為"十三五”規劃教學改革需要而修訂的本科生自動化專業核心基礎課教材。本書系統地闡述了自動控制理論的基本概念、原理，自動控制系統的分析和校正設計方法，包括20世紀80年代發展起來的加權靈敏度函數分析法。*書分3部分，共計9章：*一部分為反饋控制系統的建模、穩定性與特性，由第1章緒論、第2章控制系統的數學模型和第3章控制系統的穩定性及特性組成；第二部分為線性控制系統的分析與校正，由第4章線性控制系統的時域分析、第5章根軌跡分析法、第6章頻率特性分析法（包括現代的加權靈敏度函數頻域分析法）和第7章線性控制系統的校正組成；第三部分由第8章線性離散控制系統和第9章非線性控制系統組成。 本書在內容編排上面向寬口徑的自動化專業，力求與時俱進地進行教材改革實踐與創新：解決教學過程中發現的問題；滿足寬口徑自動化專業的需要；增加面向控制工程的理論與知識；增強計算機輔助教學的應用；采用經典的概念和原理系統地闡述了現代的加權靈敏度函數分析法及其應用；各章安排了豐富的例題和習題，為方便讀者自學，書后還提供了各章習題參考答案。本書配有電子課件、MATLAB源代碼、習題參考答案及詳解等教學資源。
胥布工，廣東省精品資源共享課程《自動控制原理》負責人和主講人，享受國務院政府特殊津貼專家。2008-2012教育部自動化教學指導分委員會委員；擔任過中國自動化學會理事、過程控制專業委員會委員、《Journal of Control Theory and Applications》英文學術期刊副主編。現任控制理論專業委員會委員，關肇直獎評獎委員會委員。
第2版前言
第1版前言
第1章 緒論 1
1．1 引言 1
1．1．1 自動控制理論發展簡史 1
1．1．2 控制工程實踐 3
1．2 自動控制的基本原理 4
1．2．1 人工控制與自動控制 4
1．2．2 開環控制與閉環控制 6
1．2．3 反饋控制系統的基本要求 8
1．3 反饋控制系統的組成 9
1．3．1 按構成系統的基本元件劃分 9
1．3．2 按系統內部基本功能環節劃分 10
1．3．3 若干常用術語 11
1．4 控制系統的分類 12
1．4．1 按參考輸入信號特征分類 12
1．4．2 按系統環節間信號傳遞形式分類 12
1．4．3 按描述系統的動態方程分類 13
1．5 控制系統應用實例三則 14
1．6 控制系統設計概述 16
1．7 本書內容安排 18
1．7．1 組織結構 18
1．7．2 學習安排 19
1．8 小結 20
習題1 20
第2章 控制系統的數學模型 23
2．1 引言 23
2．2 系統的微分方程 23
2．2．1 列寫物理系統的微分方程 23
2．2．2 微分方程的增量化與無因次化 27
2．2．3 非線性微分方程的線性化 28
2．2．4 控制系統的微分方程 30
2．3 傳遞函數 32
2．3．1 線性系統傳遞函數的概念和定義 33
2．3．2 傳遞函數的常用表現形式 34
2．3．3 典型輸入信號及其拉普拉斯變換 35
2．3．4 單位脈沖響應函數 37
2．3．5 求解系統輸出響應的方法 38
2．3．6 典型環節及其傳遞函數 41
2．4 結構圖 47
2．4．1 結構圖的組成和基本連接方式 47
2．4．2 結構圖的等效變換 49
2．5 信號流圖 51
2．5．1 信號流圖及有關術語 51
2．5．2 信號流圖的運算 51
2．5．3 信號流圖與結構圖的對應關系 52
2．5．4 梅遜公式及其應用 53
2．6 輸入-輸出模型與內部狀態模型的關系 55
2．6．1 傳遞函數模型與相變量型狀態流圖模型 55
2．6．2 傳遞函數模型與狀態方程模型的相互轉換 56
2．7 利用MATLAB的建模和仿真 57
2．7．1 輸入傳遞函數和化簡結構圖 57
2．7．2 求解系統的輸出響應 59
2．8 小結 61
習題2 62
第3章 控制系統的穩定性及特性 69
3．1 引言 69
3．2 反饋控制系統的結構及其傳遞函數 69
3．2．1 開環傳遞函數 69
3．2．2 閉環傳遞函數 70
3．2．3 偏差傳遞函數 70
3．3 閉環系統的穩定性 71
3．3．1 穩定性的概念和定義 71
3．3．2 閉環傳遞函數的極點與系統的穩定性 72
3．3．3 勞斯判據及其應用 74
3．4 反饋控制系統的特性 80
3．4．1 瞬態響應的改進 80
3．4．2 穩態誤差的減小 81
3．4．3 對內部模型的靈敏度 82
3．4．4 對外部干擾的抑制 83
3．5 復雜反饋控制系統的基本結構及其特性 84
3．5．1 內環反饋校正 85
3．5．2 串級控制 85
3．5．3 前饋-反饋控制 88
3．6 利用MATLAB分析系統的穩定性及特性 89
3．6．1 判定系統的穩定性 89
3．6．2 求解靈敏度函數 91
3．7 小結 91
習題3 92
第4章 線性控制系統的時域分析 97
4．1 引言 97
4．2 測試輸入信號與時域性能指標 97
4．2．1 常用測試輸入信號 97
4．2．2 時域性能指標 98
4．3 一階系統的時域分析 99
4．3．1 一階系統的一般形式 99
4．3．2 一階系統的單位階躍響應 100
4．3．3 一階系統的單位脈沖響應 101
4．4 二階系統的時域分析 102
4．4．1 二階系統的一般形式 102
4．4．2 二階系統的單位階躍響應 102
4．4．3 二階系統單位階躍響應的性能指標 105
4．4．4 二階系統的單位脈沖響應 109
4．4．5 二階系統的性能改善 110
4．4．6 具有零點的二階系統分析 113
4．4．7 擾動作用下的二階系統分析 117
4．5 高階系統的時域分析 119
4．5．1 高階系統的時域響應 119
4．5．2 閉環主導極點 120
4．6 穩態誤差分析 122
4．6．1 控制系統的類型 123
4．6．2 參考輸入作用下的穩態誤差 123
4．6．3 擾動輸入作用下的穩態誤差 126
4．6．4 提高穩態精度的方法 128
4．7 基本控制規律的時域分析 131
4．7．1 比例(P)控制 132
4．7．2 比例加微分(PD)控制 132
4．7．3 比例加積分(PI)控制 133
4．7．4 比例加積分加微分(PID)控制 134
4．8 利用MATLAB進行控制系統的時域分析 135
4．8．1 參考輸入響應分析 135
4．8．2 擾動輸入響應分析 136
4．9 小結 137
習題4 138
第5章 根軌跡分析法 143
5．1 引言 143
5．2 根軌跡的基本概念 143
5．2．1 根軌跡圖 143
5．2．2 根軌跡方程 145
5．3 繪制根軌跡的一般方法 146
5．3．1 繪制根軌跡的基本法則 147
5．3．2 參數根軌跡的繪制 156
5．4 根軌跡法的擴展應用 157
5．4．1 雙回路系統的根軌跡 157
5．4．2 延遲系統的根軌跡 159
5．4．3 0度根軌跡的繪制 162
5．5 開環零、極點對系統根軌跡的影響 164
5．5．1 開環零點對根軌跡的影響 164
5．5．2 開環極點對根軌跡的影響 165
5．5．3 開環偶極子對根軌跡的影響 165
5．6 利用MATLAB分析控制系統的根軌跡 166
5．6．1 繪制根軌跡與求取根軌跡增益 166
5．6．2 分析控制系統的穩定性 168
5．7 小結 169
習題5 169
第6章 頻率特性分析法 172
6．1 引言 172
6．2 頻率特性的基本概念 172
6．2．1 頻率響應與頻率特性的定義 172
6．2．2 頻率特性的物理意義 174
6．2．3 反饋控制系統的典型頻率特性 175
6．3 頻率特性圖示法 177
6．3．1 幅相頻率特性曲線 177
6．3．2 對數頻率特性曲線 178
6．3．3 對數幅相特性曲線 179
6．4 系統的開環頻率特性 179
6．4．1 基本因式的頻率特性 179
6．4．2 幅相頻率特性曲線的起點、走向和終點 184
6．4．3 開環對數頻率特性曲線的漸近線和轉折頻率 186
6．4．4 最小相位系統和非最小相位系統 190
6．5 奈奎斯特穩定判據 191
6．5．1 幅角原理 192
6．5．2 幅角原理的應用 193
6．5．3 奈奎斯特穩定判據的應用 194
6．5．4 基于對數頻率特性的奈奎斯特穩定判據 199
6．6 穩定裕度 200
6．6．1 幅穩定裕度和相穩定裕度 201
6．6．2 穩定裕度與時域性能指標的關系 204
6．7 基于開環對數頻率特性的系統性能分析 206
6．7．1 低頻段特性與系統穩態誤差的關系 206
6．7．2 中頻段特性與系統瞬態性能的關系 207
6．7．3 高頻段特性與閉環頻率特性的關系 209
6．8 閉環頻率特性與系統性能指標 209
6．8．1 閉環頻率特性的求取 210
6．8．2 | T(jω)|的特征量與時域性能指標的關系 215
6．8．3 最大峰值指標與穩定裕度指標的關系 216
6．9 基于靈敏度函數的穩態誤差分析 218
6．9．1 參考輸入作用下系統的穩態誤差 218
6．9．2 外部干擾輸入作用下系統的穩態誤差 219
6．10 基于靈敏度函數幅頻特性的系統性能分析 220
6．10．1 靈敏度函數幅頻特性與系統動態性能要求 220
6．10．2 加權靈敏度問題與性能權函數 221
6．11 加權靈敏度函數分析的進一步應用 224
6．11．1 采用反饋控制的原因 224
6．11．2 控制系統的魯棒性 225
6．11．3 魯棒性能與魯棒穩定性 227
6．12 利用MATLAB進行控制系統的頻率特性分析 229
6．12．1 繪制奈奎斯特圖和伯德圖 229
6．12．2 分析控制系統的性能 231
6．13 小結 235
習題6 236
第7章 線性控制系統的校正 242
7．1 引言 242
7．2 校正的基本概念 243
7．2．1 校正的動機和期望性能指標 243
7．2．2 校正方式 244
7．2．3 校正裝置的設計方法 245
7．2．4 常用校正裝置的特性 245
7．2．5 校正裝置的實現 250
7．3 頻率法設計串聯校正 252
7．3．1 超前校正的頻率法設計 252
7．3．2 滯后校正的頻率法設計 255
7．3．3 滯后-超前校正的頻率法設計 257
7．3．4 期望開環對數幅頻特性設計法 260
7．4 根軌跡法設計串聯校正 261
7．4．1 超前校正的根軌跡法設計 261
7．4．2 滯后校正的根軌跡法設計 264
7．4．3 滯后-超前校正的根軌跡法設計 266
7．5 PID校正 266
7．5．1 PID校正的頻率法設計 266
7．5．2 PID校正的參數整定法設計 267
7．6 局部反饋校正 269
7．6．1 局部反饋校正的設計思路 269
7．6．2 局部反饋校正的設計方法 271
7．7 利用MATLAB輔助控制系統的校正設計 274
7．7．1 滯后-超前校正設計 274
7．7．2 PID參數整定法校正設計 280
7．8 小結 282
習題7 283
第8章 線性離散控制系統 287
8．1 概述 287
8．1．1 離散控制系統的基本概念 287
8．1．2 離散控制系統的分析與校正
設計方法 289
8．2 信號采樣與保持 289
8．2．1 信號采樣 289
8．2．2 零階保持器 292
8．3 離散系統的數學模型 293
8．3．1 z變換 293
8．3．2 z反變換 296
8．3．3 差分方程 298
8．3．4 脈沖傳遞函數 299
8．4 離散控制系統的穩定性 304
8．4．1 離散系統穩定的充分必要條件 304
8．4．2 穩定判據 305
8．5 離散控制系統的動態性能分析 310
8．5．1 s平面到z平面的映射 310
8．5．2 閉環極點與階躍響應瞬態分量的關系 311
8．6 離散控制系統的穩態誤差分析 314
8．6．1 采樣時刻的穩態誤差 314
8．6．2 離散控制系統的無差度 314
8．7 離散控制系統的最少拍校正 316
8．7．1 最少拍系統的基本概念 316
8．7．2 最少拍系統的設計 317
8．8 利用MATLAB輔助離散控制系統的分析和校正 318
8．8．1 性能分析 318
8．8．2 校正設計 323
8．9 小結 330
習題8 331
第9章 非線性控制系統 334
9．1 概述 334
9．1．1 非線性特性的類型 334
9．1．2 非線性控制系統的穩定性及特性 335
9．1．3 非線性控制系統的分析與綜合 336
9．2 相平面法 337
9．2．1 相平面法的基本概念 337
9．2．2 相平面圖的繪制 340
9．2．3 線性系統的相平面圖分析 342
9．2．4 非線性系統的相平面圖分析 343
9．2．5 非線性控制系統的分區線性化法 346
9．2．6 利用非線性特性改進控制系統的動態性能 351
9．3 描述函數法 354
9．3．1 描述函數與諧波線性化 354
9．3．2 典型非線性特性的描述函數 356
9．3．3 非線性環節的串聯與并聯 360
9．3．4 非線性控制系統的描述函數分析方法 361
9．3．5 綜合問題舉例 363
9．4 利用MATLAB分析非線性控制系統 364
9．4．1 繪制非線性控制系統的相軌跡和相平面圖 364
9．4．2 判定穩定性及自持振蕩 369
9．5 小結 371
習題9 371
附錄A 376
習題參考答案 379
參考文獻 388
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