本书为“十三五”普通高等教育规划教材。本书以经典控制理论为主，介绍了自动控制理论的基本内容和分析、研究方法，包括线性系统的数学模型，线性系统的时域分析法、根轨迹法和频域分析法，线性系统的校正和设计，非线性系统，状态空间分析法和线性离散控制系统等内容。本书内容突出物理概念，尽量减少数学推导，各章均包含有系统分析的MATLAB方法及相关例题，附录中有拉氏变换等应用的基础知识。

前言目前,自动控制技术广泛地应用于现代工业、农业、国防和科学技术等国民经济各领域中。特别是近几十年来,随着微电子技术和计算机技术的进步,自动控制技术在航空航天、导弹制导、核能发电等现代科学领域,在生物、医学、环保、智能交通、新能源利用、经济管理等新兴领域,都起着非常重要的作用。可以这样说,一个国家在自动控制方面的水平是衡量其生产技术和科学技术水平先进与否的一项重要标志。为了适应自动化学科的发展,拓宽专业面、优化整体教学体系的改革形势,作者总结多年的教学经验,参考国内外自动控制理论及应用发展方向,经反复讨论编写了本书。在本书的编写过程中,根据应用型本科院校的特点,适当降低了理论深度,内容编写力求深入浅出、循序渐进,注意物理概念的阐述,尽量避免繁琐的数学推导,紧密结合具体的自动控制系统介绍经典控制理论最基本的内容,使抽象的控制理论与系统分析、设计相结合,理论和实践相结合,为读者学习后续专业课程奠定基础。本书根据相应的教学大纲和学时安排,选取了经典控制理论和现代控制理论基础部分作为内容。但这两方面内容的数学基础不同,处理问题的思路不同,混编在一起有教学上的不便,所以在教材中分开编写。同时建议在讲解现代控制理论时能有意识地多联系经典控制理论。本 书共9章内容。第1章介绍了自动控制系统的控制方式和分类,通过实例引出反馈系统的概念与组成特点,重点是反馈系统的原理、组成部件的阐述。系统的性能要求只介绍初步概念。第2章介绍了线性系统的数学模型,主要包括微分方程、传递函数、动态结构图等。强调了用线性常系数微分方程描述的系统特点:叠加原理、时不变性、物理实现性;讲梅森公式时,直接使用动态结构图,不引入信号流图,从而使梅森公式与框图融成一体。第3章介绍时域分析法,重点是对线性系统的稳定性、快速性和准确性等性能进行讨论;主要包括一、二阶系统的分析与计算、稳定性分析、稳态误差分析、计算和一般规律等内容。第 4章介绍根轨迹法,包括根轨迹方程与根轨迹的绘制法则,应用主导极点、偶极子等概念近似分析系统的性能、广义根轨迹等内容。第5章介绍频域分析法,包括频率特性及其图示方法、物理意义,奈奎斯特稳定判据和对数稳定判据。同时介绍了开、闭环频率特性与系统性能的关系,以定性分析的物理概念为主。第 6章介绍线性系统的校正和设计,包括串联校正、反馈校正(超前校正、滞后校正、滞后超前校正、PID控制器等)、复合校正。第7章介绍非线性系统,包括相平面法和描述函数法,可为学生后续课程打下一定基础。第8章为状态空间分析法,是现代控制理论的基础。从四个方面对现代控制理论进行描述:状态方程、可控性和可观性,以及李雅普诺夫方法分析系统稳定性。对所有定理都给出了符合学生基础的严格证明,论述严谨,加强逻辑思维与抽象思维的训练。第9章介绍线性离散控制系统,以Z 变换为数学工具,重点介绍脉冲传递函数及离散系统的稳定性判据等内容。各章添加了系统分析的MATLAB方法,通过相关例题使学生了解并掌握控制系统的MATLAB分析方法,附录中包括拉氏变换、Z 变换等应用的基础知识,根据不同的专业和学生课程学习的需要,在合适时间段进行讲解。为了方便教学和加深学生理解,每章均有适当的习题。本书在取材和阐述方式上,注意了工程性,将实验教学环节和计算机辅助设计融合一体,贯穿全书。在内容上贯彻了删繁就简的原则,避免过分地引申和扩充。在叙述问题时,力求概念明确、层次分明和遵循教学顺序。本书还配有教学辅导教材、课件、精品资源共享课教学配套资料。本书由宋晓燕主编并统稿,参加编写的人员有宋晓燕(第1章、第7章、附录)、任琦梅(第2章、第6章)、代克杰(第8章、第9章)、王雪晴(第5章)、李红(第3章)、王艳(第4章)。全书由河南科技大学的史敬灼教授审阅,史敬灼教授对本书进行了仔细的审阅并提出了宝贵的修改意见。此外,赵换丽、张亚峰、杨丽等参与了资料查询及本书的策划、汇稿工作,本书在编写过程中参考了许多专家编写的教科书和习题集,在此表示感谢。限于编者水平,书中难免存在疏漏和不妥之处,恳请读者批评指正。编 者2017年10月

宋晓燕

前言第1章 概述 11.1 自动控制系统的方式 11.2 闭环控制系统的组成 31.3 自动控制系统的分类 41.4 对自动控制系统的基本要求 5习题 6第2章 线性系统的数学模型 82.1 线性系统的微分方程描述 82.2 线性系统的传递函数描述 122.3 典型环节的数学模型及特性 142.4 动态结构图 192.5 闭环控制系统的几种传递函数 252.6 用 MATLAB处理数学模型 27习题 30第3章 时域分析法 343.1 时域分析基础 343.2 一、二阶系统的时域分析 363.3 系统稳定性分析 453.4 稳态误差分析与计算 503.5 MATLAB在时域分析中的应用 57习题 59第4章 根轨迹法 614.1 根轨迹法的基本内容 614.2 绘制根轨迹的基本法则 654.3 广义根轨迹 764.4 系统性能分析 784.5 线性系统根轨迹分析的 MATLAB方法 81习题 85第5章 频域分析法 875.1 频率特性 875.2 典型环节的频率特性 915.3 控制系统的开环频率特性 1005.4 频域稳定判据 1075.5 用频域分析法分析系统性能 1165.6 线性系统频域分析的 MATLAB方法 119习题 121第6章 线性系统的校正 1266.1 线性系统校正的概念 1266.2 常用校正装置 1286.3 串联校正 1376.4 PID控制器及其设计方法 1456.5 反馈校正 1506.6 复合校正 1526.7 MATLAB在线性系统校正中的应用 154习题 156第7章 非线性系统 1597.1 非线性系统概述 1597.2 常见的典型非线性特性 1607.3 相平面法基础 1627.4 非线性系统的相轨迹分析 1697.5 描述函数 1727.6 用描述函数分析非线性系统 1777.7 非线性系统分析的 MATLAB方法 180习题 182第8章 状态空间分析 1858.1 状态空间分析理论 1858.2 线性定常系统的运动分析 1958.3 状态空间分析方法 2018.4 李雅普诺夫分析法 214习题 216第9章 线性离散控制系统 2199.1 采样过程与采样定理 2199.2 脉冲传递函数 2219.3 离散系统的稳定性判据 226习题 230附录 232附录 A 拉普拉斯变换 232附录B Z 变换 241参考文献 250