本書介紹自動控制原理的基本概念和方法，包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容，適合作為信息學科本科學生平臺課程教材和非自動控制專業(yè)理工科學生的教材。全書共9章：第1章 緒論，介紹自動控制系統(tǒng)的基本概念、定義、術語；第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，介紹連續(xù)系統(tǒng)的時域模型、復域模型、狀態(tài)空間描述；第3章 控制系統(tǒng)的時域分析，對系統(tǒng)動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和穩(wěn)定性進行分析的方法作了詳細的討論；第4章 根軌跡法，介紹根軌跡的繪制方法和利用根軌跡對系統(tǒng)進行分析的基本方法；第5章 控制系統(tǒng)的頻域分析，介紹線性系統(tǒng)頻率特性的概念和頻域分析方法；第6章 線性控制系統(tǒng)設計與綜合，介紹線性系統(tǒng)設計與綜合的基本概念和常用的設計方法；第7章 采樣系統(tǒng)分析，介紹了z變換、脈沖傳遞函數(shù)以及離散系統(tǒng)的分析方法；第8章 狀態(tài)空間分析設計，討論了線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析和基本設計方法；第9章 MATLAB在控制系統(tǒng)分析中的應用，介紹MATLAB在控制系統(tǒng)設計工具箱中的主要函數(shù)和應用實例。各學校和專業(yè)可根據(jù)實際情況，選擇有關章節(jié)組織教學。
本書的特點是內(nèi)容精煉，重點突出，強調(diào)基本概念、基本原理的掌握與應用，特別適合非自動化專業(yè)本科生自動控制原理教學的要求。
王敏，華中科技大學自動控制系教授，中國人工智能學會機器人專業(yè)委員會秘書長中國電 工技術學會高校工業(yè)自動化教育專業(yè)委員會委員
第1章 緒論
1.1 自動控制的基本概念
1.1.1 基本概念
1.1.2 開環(huán)控制與閉環(huán)控制的實例
1.2 自動控制理論的發(fā)展
1.3 控制系統(tǒng)的分類
1.4 對控制系統(tǒng)的基本要求
本章小結
習題1
第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型
2.1 基本概念
2.2 時域模型——微分方程
2.2.1 建立系統(tǒng)或元件微分方程的步驟
2.2.2 典型系統(tǒng)的微分方程
2.2.3 非線性方程線性化方法 第1章 緒論
1.1 自動控制的基本概念
1.1.1 基本概念
1.1.2 開環(huán)控制與閉環(huán)控制的實例
1.2 自動控制理論的發(fā)展
1.3 控制系統(tǒng)的分類
1.4 對控制系統(tǒng)的基本要求
本章小結
習題1
第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型
2.1 基本概念
2.2 時域模型——微分方程
2.2.1 建立系統(tǒng)或元件微分方程的步驟
2.2.2 典型系統(tǒng)的微分方程
2.2.3 非線性方程線性化方法
2.3 復域模型——傳遞函數(shù)
2.3.1 傳遞函數(shù)的定義
2.3.2 傳遞函數(shù)的性質(zhì)和物理意義
2.3.3 典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)
2.3.4 傳遞函數(shù)的表示方式和術語
2.4 控制系統(tǒng)方塊圖
2.4.1 方塊圖簡介
2.4.2 方塊圖的化簡
2.4.3 閉環(huán)系統(tǒng)的方塊圖和傳遞函數(shù)
本章小結
習題2
第3章 線性系統(tǒng)的時域分析
3.1 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
3.1.1 穩(wěn)定的概念
3.1.2 穩(wěn)定的充要條件
3.1.3 勞斯穩(wěn)定判據(jù)
3.2 二階系統(tǒng)的動態(tài)性能分析
3.2.1 典型輸入信號
3.2.2 動態(tài)性能指標
3.2.3 二階系統(tǒng)的時域響應
3.2.4 高階系統(tǒng)的時域響應
3.3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析
3.3.1 穩(wěn)態(tài)誤差的定義
3.3.2 輸入信號作用下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差
3.3.3 擾動信號作用時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差
本章小結
習題3
第4章 根軌跡法
4.1 根軌跡的基本概念
4.2 繪制根軌跡的基本規(guī)則
4.3 控制系統(tǒng)根軌跡的繪制
4.4 廣義根軌跡
4.4.1 以非K*為變參數(shù)的根軌跡
4.4.2 正反饋系統(tǒng)的根軌跡
4.4.3 非最小相位系統(tǒng)的根軌跡
4.5 線性系統(tǒng)的根軌跡分析方法
4.5.1 主導極點的概念
4.5.2 增加開環(huán)零極點對根軌跡的影響
本章小結
習題4
第5章 線性系統(tǒng)的頻域分析法
5.1 線性系統(tǒng)的頻率響應
5.2 頻率特性的圖形表示
5.2.1 幅相頻率特性曲線
5.2.2 對數(shù)頻率特性曲線
5.3 奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)
5.3.1 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的數(shù)學基礎
5.3.2 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)
5.4 控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性
5.4.1 相對穩(wěn)定性
5.4.2 穩(wěn)定裕度的求取
5.5 頻域響應分析
5.5.1 頻域性能指標
5.5.2 頻域指標與時域指標的關系
本章小結
習題5
第6章 線性系統(tǒng)的校正
6.1 系統(tǒng)設計與校正的概念
6.1.1 系統(tǒng)性能指標
6.1.2 校正的實質(zhì)
6.1.3 校正方式
6.1.4 對數(shù)幅頻特性的形狀對系統(tǒng)性能指標的影響
6.2 常用校正裝置
6.2.1 無源超前網(wǎng)絡
6.2.2 無源滯后網(wǎng)絡
6.2.3 滯后-超前無源網(wǎng)絡
6.3 串聯(lián)校正的頻率法設計
6.3.1 串聯(lián)超前校正
6.3.2 串聯(lián)滯后校正
6.3.3 串聯(lián)滯后-超前校正
6.4 PID調(diào)節(jié)器
6.4.1 PID的基本控制作用
6.4.2 PID控制器的參數(shù)確定
本章小結
習題6
第7章 采樣系統(tǒng)分析
7.1 引言
7.2 信號的采樣與保持
7.2.1 采樣信號的數(shù)學表示
7.2.2 采樣信號的頻譜分析
7.2.3 采樣定理
7.2.4 信號的保持
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變換的性質(zhì)
7.3.4 z反變換
7.4 采樣系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)
7.4.1 脈沖傳遞函數(shù)的定義和意義
7.4.2 脈沖傳遞函數(shù)的求法
7.4.3 開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)
7.4.4 閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)
7.5 采樣系統(tǒng)分析
7.5.1 采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性
7.5.2 采樣系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能
7.5.3 采樣系統(tǒng)的動態(tài)性能
本章小結
習題7
第8章 狀態(tài)空間分析設計
8.1 狀態(tài)空間模型
8.1.1 狀態(tài)變量表達式相關概念
8.1.2 由微分方程建立狀態(tài)變量表達式
8.1.3 狀態(tài)變量表達式和傳遞函數(shù)的關系
8.2 狀態(tài)空間的線性變換
8.2.1 線性變換
8.2.2 線性變換的不變性
8.2.3 線性系統(tǒng)的規(guī)范化
8.3 線性定常系統(tǒng)狀態(tài)方程的解
8.3.1 線性定常系統(tǒng)齊次方程的解
8.3.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的性質(zhì)
8.3.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的求取
8.3.4 非齊次狀態(tài)方程的解
8.4 線性連續(xù)系統(tǒng)的可控性與可觀測性分析
8.4.1 線性連續(xù)系統(tǒng)的可控性與可觀測性的概念
8.4.2 線性連續(xù)系統(tǒng)的可控性判據(jù)
8.4.3 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的可觀測性判據(jù)
8.4.4 通過線性變換將單輸入系統(tǒng)化為可控標準型和可觀測標準型
8.4.5 對偶原理
8.4.6 傳遞函數(shù)與可控性、可觀測性的關系
8.5 線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)反饋和極點配置
8.5.1 狀態(tài)反饋和輸出反饋
8.5.2 狀態(tài)反饋進行極點的任意配置
本章小結
習題8
第9章 MATLAB在控制系統(tǒng)分析中的應用
9.1 基于MATLAB的數(shù)學建模
9.1.1 建立傳遞函數(shù)模型的MATLAB相關函數(shù)
9.1.2 方塊圖的標準連接的MATLAB相關函數(shù)
9.1.3 傳遞函數(shù)的零極點求取的MATLAB相關函數(shù)
9.2 基于MATLAB的時域分析
9.2.1 常用函數(shù)
9.2.2 應用舉例
9.3 基于MATLAB的根軌跡分析
9.3.1 常用函數(shù)
9.3.2 應用舉例
9.4 基于MATLAB的頻域分析和設計
9.4.1 常用函數(shù)
9.4.2 應用舉例
9.5 基于MATLAB的采樣系統(tǒng)分析
9.5.1 常用函數(shù)
9.5.2 應用舉例
9.6 狀態(tài)空間分析
9.6.1 常用函數(shù)
9.6.2 應用舉例
參考文獻
長期以來，自動控制科學對整個科學技術的理論和實踐做出了巨大貢獻，為社會發(fā)展帶來了巨大的利益。自動控制理論作為一門涉及多學科的科學，已廣泛應用到電氣、機械、化工、冶金、航空航天、核反應等工程領域，并進一步擴展到生命科學、社會發(fā)展和經(jīng)濟、金融等工程領域以外的范圍，滲透到人類生活的各個方面。理論、技術的發(fā)展與應用，多學科的交叉與融合，使得人類利用自動控制技術已經(jīng)并正在把許多夢想變成現(xiàn)實。
自動控制原理是自動控制技術的基礎理論，是一門理論性較強的工程科學。從20世紀40年代經(jīng)典控制理論體系建立至今，自動控制技術一直是伴隨著生產(chǎn)實際和社會需要發(fā)展起來的，其理論在實際應用和與其他相關學科交叉滲透中日臻完善并不斷發(fā)展和創(chuàng)新。隨著現(xiàn)代科學的日新月異，自動控制理論已經(jīng)成為應用最為廣泛的學科之一，其發(fā)展前景和潛力是無可限量的。
自動控制原理是高等學校控制理論與控制工程專業(yè)的主干課程，目前國內(nèi)各高校編寫出版的相應教學用書已有多本，這類教材主要適應自動化專業(yè)本科生的教學需要，課內(nèi)教學一般為100多學時。隨著信息化、自動化技術的發(fā)展，許多高校把自動控制原理作為信息大類專業(yè)的平臺課程，同時，機械、交通、能源、化工等專業(yè)也都開設了自動控制原理課程，因此，針對非自動化專業(yè)的教學需要，急需編寫適合少學時數(shù)教學需要的自動控制原理教材。本書的編寫目的正是為了適應工科院校非自動化專業(yè)本科生自動控制理論教學和信息學科平臺課程的教學需要，特別適合作為少學時數(shù)自動控制原理的教學用書。本書第1、2版分別于2003年、2008年由化學工業(yè)出版社出版，第3版是在前2版的基礎上，根據(jù)教育教學需要、學科發(fā)展，并廣泛收集廣大師生的反饋意見基礎上，修訂而成的。
本書旨在通過對非自動化專業(yè)本科生的課堂教學，使學生能理解和掌握自動控制的基本原理、基本技術和基本方法，拓寬學生的思路和視野，使其能將自動控制的理論與方法運用到各自所學專業(yè)之中，提高學生的理論知識水平和實際應用能力。
本書涵蓋了自動控制理論的主要內(nèi)容和基本概念，全書共9章。第1章在介紹自控制理論和控制系統(tǒng)的基本概念和定義的基礎上，通過實例說明了自動控制系統(tǒng)的組成和控制過程，闡述了自動控制理論發(fā)展的各個階段，提出了控制系統(tǒng)的分類方法和對系統(tǒng)控制的一般要求。第2章主要介紹了線性系統(tǒng)數(shù)學模型的描述和建立方法，包括時域模型——微分方程，以及在經(jīng)典控制理論中使用最為廣泛的一種復域模型——傳遞函數(shù)，基于傳遞函數(shù)的概念，介紹了用方塊圖表示系統(tǒng)結構的“圖解模型”和通過方塊圖化簡求取系統(tǒng)傳遞函數(shù)的方法。第3章對線性系統(tǒng)時域分析的基本方法進行了闡述，主要討論了系統(tǒng)穩(wěn)定性、瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能分析，介紹了勞斯穩(wěn)定判據(jù)、二階系統(tǒng)性能指標分析和計算，以及穩(wěn)態(tài)誤差求取。第4章介紹了一種在工程上對系統(tǒng)進行分析的圖解方法——根軌跡法，給出了繪制根軌跡圖的基本規(guī)則和利用根軌跡對系統(tǒng)進行分析的基本方法。第5章介紹了線性系統(tǒng)頻率特性的概念，頻率特性的圖形表示，著重討論了頻域中系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法——奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，介紹了相對穩(wěn)定性的概念、穩(wěn)定裕度，以及頻域指標的計算。第6章介紹線性系統(tǒng)校正的基本概念、校正原理和方法步驟，常用的校正裝置及其特性，著重討論了PID控制器的設計及其在系統(tǒng)校正中的作用。第7章討論了離散系統(tǒng)的基本理論和分析方法，介紹了采樣定理、z變換及其性質(zhì)，給出了脈沖傳遞函數(shù)的概念，在此基礎上，對采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能的分析方法做了介紹。第8章介紹了現(xiàn)代控制理論的有關內(nèi)容，主要包括狀態(tài)空間模型的建立、系統(tǒng)的可控性和可觀測性，以及線性系統(tǒng)的設計問題——狀態(tài)反饋和極點配置等。第9章介紹了基于MATLAB的控制系統(tǒng)分析與設計，通過實例，簡明扼要地介紹了MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱函數(shù)，以及系統(tǒng)分析與設計的程序編寫，為學生掌握和運用自動控制原理提供了方便。
本書由華中科技大學王敏教授和秦肖臻副教授編寫。其中第1、3、4、5章由王敏編寫，第2、6、7、8、9章由秦肖臻編寫。建議將第1、2、3、5、6、7章作為基本教學內(nèi)容，適合課堂教學約48學時數(shù)，不同專業(yè)也可根據(jù)各自專業(yè)的特點和需要選擇其中部分內(nèi)容組織教學。
限于編者水平和時間，書中如有錯誤和不妥之處，請讀者不吝指正。
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