自动控制原理

 曹政才，北京化工大学教授，工学博士，博士生导师，首都科技领军人才，北京高校研究生课程思政教学名师、课程思政教学团队负责人。2005年博士毕业于哈尔滨工业大学，2006-2008年在同济大学从事博士后研究工作，2014-2015年赴伦敦大学国王学院进行学术访问。主讲的“自动控制原理”入选北京高校“优质本科课程”，“机器人控制技术”入选教育部“拓金计划”和北京高校研究生课程思政示范课程；以完成人获得中国石油和化工教育教学优秀成果特等奖、北京市高等教育教学成果奖二等奖、中国自动化学会高等教育教学成果奖二等奖等奖励；主持国家自然科学基金委重点支持项目、国家重点研发计划课题等10余项，在IEEE汇刊发表高水平学术论文20余篇，荣获中国自动化学会自然科学奖一等奖，在多个国际学术期刊任职并获得多项国内外学术奖励与荣誉。

第1章 自动控制的概述

1．1 自动控制系统

1．2 自动控制的基本方式

1．3 控制系统的性能评估

1．4 本书梗概

1．5 习题

第2章 控制系统的数学模型

2．1 常微分方程模型

2．1．1 机械动力系统

2．1．2 电气网络系统

2．1．3 流体液位控制系统

2．2 传递函数

2．2．1 传递函数的定义与性质

2．2．2 典型环节及其传递函数

2．2．3 方块图

2．2．4 信号流图

2．3 状态空间模型

2．3．1 状态空间表达式

2．3．2 模型间的互相转化

2．4 控制系统实例——塔吊模型

2．5 本章小结

2．6 习题

第3章 线性控制系统的时域分析

3．1 典型输入信号与系统响应

3．1．1 典型输入信号

3．1．2 系统响应的性能指标

3．2 典型控制系统时域分析

3．2．1 一阶系统响应

3．2．2 二阶系统响应

3．2．3 高阶系统的动态响应

3．3 控制系统的稳定性及其判据

3．3．1 稳定性的概念

3．3．2 劳斯稳定判据

3．3．3 劳斯稳定判据的应用

3．4 控制系统的稳态误差分析

3．4．1 给定稳态误差的计算

3．4．2 扰动稳态误差计算

3．5 常规控制规律对系统控制质量的影响

3．5．1 比例控制

3．5．2 比例微分控制

3．5．3 比例积分控制

3．6 状态方程的求解与响应分析

3．6．1 零输入响应

3．6．2 零状态响应

3．6．3 系统的总响应

3．7 本章小结

3．8 习题

第4章 根轨迹分析法

4．1 反馈系统的根轨迹

4．2 根轨迹的特性及绘制法则

4．2．1 模值条件与相角条件

4．2．2 根轨迹绘制法则

4．3 广义根轨迹

4．3．1 参数根轨迹

4．3．2 零度根轨迹

4．4 利用根轨迹分析系统性能

4．4．1 利用根轨迹计算系统性能指标

4．4．2 利用根轨迹确定系统参数

4．4．3 利用根轨迹进行系统分析的基本原则

4．5 利用根轨迹法进行控制系统校正

4．5．1 使用超前校正的设计

4．5．2 使用滞后校正的设计

4．6 控制系统实例——塔吊模型

4．7 本章小结

4．8 习题

第5章 频率特性分析法

5．1 系统的频率特性

5．1．1 频率特性函数

5．1．2 关于频率特性函数的

几点说明

5．2 典型环节频率特性的图解表示方法

5．2．1 极坐标图与Bode图

5．2．2 典型环节的频率特性曲线

5．2．3 极坐标图与Bode图的绘制方法

5．3 奈奎斯特（Nyquist）稳定判据

5．3．1 幅角原理

5．3．2 闭环传递函数的分母多项式

5．3．3 奈奎斯特稳定判据

5．3．4 D形围线穿过F（s）奇点的情况

5．3．5 奈奎斯特稳定判据的本质

5．4 稳定裕度

5．5 系统带宽

5．6 利用频率特性进行控制系统校正

5．6．1 串联超前校正

5．6．2 串联滞后校正

5．6．3 串联滞后-超前校正

5．7 本章小结

5．8 习题

第6章 状态空间分析设计方法

6．1 线性定常系统的能控性与能观性

6．1．1 能控性的定义

6．1．2 能控性判据

6．1．3 能观性的定义

6．1．4 能观性判据

6．1．5 对偶原理

6．1．6 单输入-单输出系统的能控规范型和能观规范型

6．1．7 结构分解

6．2 线性系统的状态反馈与极点配置

6．2．1 状态反馈与输出反馈

6．2．2 状态反馈极点配置

6．2．3 输出反馈极点配置

6．3 状态观测器的设计

6．3．1 全维状态观测器

6．3．2 降维状态观测器

6．3．3 具有观测器的状态反馈控制系统

6．4 控制系统实例——塔吊模型

6．5 本章小结

6．6 习题

……

第7章 离散控制系统

第8章 非线性系统分析

附录

参考文献

 《自动控制原理》系统地介绍了自动控制的基本理论、工程分析和设计的方法，内容涵盖了经典控制理论和现代控制理论的内容。该书共分为8章，主要包括自动控制的概述、控制系统的数学模型、线性控制系统的时域分析、根轨迹分析法、频率特性分析法、状态空间分析设计方法、离散控制系统、非线性系统分析等内容。该书包含各章部分例题的仿真程序和其他类型的丰富的数字化资源，通过扫描二维码，可实现在线学习。

 该书注重塑造读者的工程应用思维，将控制理论与工程实践相结合，采用塔吊系统作为工程实例，将其控制问题贯穿到每一章中。全书着力构建课程思政的育人格局，在每章开头引入与本章知识点相关的名言警句，具有点题与发人深思的意义；每章结尾处通过二维码数字化资源引入与本章知识点密切关联的科学家生平介绍，同时回顾相关控制学科技术的发展历程，达到激发和塑造读者科学智慧与人文精神的目的。

 《自动控制原理》既可以作为高校“自动控制原理”和“控制工程基础”课程的教材，也可供控制工程相关方向的研究人员及工程师参考。