自动控制原理（韩敏）

随着工业生产和科学技术的发展，自动控制系统已广泛应用于工农业生产、交通运输、国防现代化和航空航天等许多领域，具有极其重要的地位。“自动控制原理”专门研究有关自动控制系统中的基本概念、基本原理和基本方法，是从事自动化相关工作的广大工程技术人员和科学工作者必不可少的理论基础课之一。

在科学技术的发展进程中，自动控制原理在内容上有了很大的扩展和更新。一般把20世纪40年代建立的主要处理单输入单输出定常反馈系统的理论称为经典控制理论，把60年代以来建立的处理多变量和时变系统的理论称为现代控制理论。本书对经典控制理论的基本内容作了较为详细的介绍，旨在阐明自动控制系统分析与综合的基本方法。

全书共分8章，前6章涉及线性定常连续系统的理论，具体包括控制系统的一般概念，描述控制系统的数学模型，用于系统分析的时域法、根轨迹法、频域法以及综合校正方法。第7章讲述线性定常离散控制系统理论，介绍z变换理论和描述离散系统的数学模型，分析离散系统的瞬态和稳态性能，设计数字控制器等。第8章属于非线性控制理论，介绍分析非线性系统的相平面法和描述函数法。

结合自动控制原理基本概念的讲解，本书在各章*后一节给出相应内容的Matlab仿真实例，应用Matlab控制系统工具箱进行计算机辅助教学，帮助学生加深对基本原理的理解。同时，各章配有适量的习题，以配合课堂教学，便于学生准确理解有关概念，掌握解题方法和技巧，检验计算结果。习题答案在每章*后，以二维码形式给出。每章小结之后给出了关键术语英文注释，可帮助学生掌握专业术语的英文词汇，更加符合高等教育的国际化需求。

本书是在编著者二十余年教学讲义的基础上编写而成的，借鉴国内外优秀教材，合理安排内容，配有丰富例题，难度适中，可供自动化、电气工程及其自动化、电子信息工程和计算机等专业的学生使用。第1、3、4章由韩敏编写，第5、8章由潘学军编写，第2、6章由席剑辉编写，第7章由刘颖编写。全书由韩敏统稿审定。

由于编著者水平有限，书中难免存在一些不妥之处，希望广大读者批评指正。

编著者

2020年5月

本书全面、系统地介绍了经典控制理论的基本内容和自动控制系统的分析、校正与综合设计方法。全书共分8章，主要包括自动控制的基本概念、控制系统的数学描述、时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、线性控制系统的综合与校正、离散时间控制系统、非线性控制系统等。每章*后一节为相应的Matlab仿真实例。各章末给出本章小结和关键术语和概念，并配有适当的习题。

本书可作为普通高等院校自动化类、电气信息类、电子信息类和计算机类等相关专业的教材，也可作为科技人员的参考用书。

韩敏，大连理工大学，教授，韩敏，教授，博士生导师，大连理工大学模糊信息处理与机器智能研究所副所长。研究领域主要包括复杂系统建模与预测、时间序列分析、遥感影像智能信息处理、人工智能、数据挖掘等。先后承担各类项目30余项，其中国家自然科学基金5项，国家重点基础研究“973”发展计划项目子课题3项，国家高技术研究“863”发展计划项目2项，十一五国家科技支撑计划项目1项，企事业单位合作项目20余项。在《IEEE Transactions on Cybernetics》、《IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems》、《IEEE Transactions on Signal Processing》、《IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems》等国内外重要期刊和会议上发表论文400余篇，其中被SCI或EI检索380余篇次，出版专著5本，教材4本，获国家发明专利6项，软件著作权14项。2014年-2017年连续四年入选爱思唯尔中国高被引学者。本书主要编著人韩敏教授在自动控制原理教学方面具有十余年的教学经验，曾先后获得2005年《自动控制原理》辽宁省精品课程，2013年宝钢you秀教师奖，2017年辽宁省教学名师奖等多项奖励；

1自动控制的基本概念

1.1自动控制的发展简史001

1.1.1经典控制理论阶段002

1.1.2现代控制理论阶段002

1.1.3大系统控制阶段003

1.1.4智能控制阶段003

1.2自动控制的基本原理004

1.2.1人工控制与自动控制004

1.2.2自动控制系统的构成005

1.2.3自动控制系统的基本控制方式006

1.3自动控制系统的分类007

1.3.1按输入信号特征分类007

1.3.2按系统参数特性分类008

1.3.3按系统数学模型分类008

1.3.4按时间变量特性分类009

1.3.5按变量数目分类009

1.3.6其他分类方法009

1.4对控制系统性能的基本要求010

1.4.1稳定性010

1.4.2快速性010

1.4.3准确性010

1.5Matlab在自动控制系统中的应用011

本章小结011

关键术语和概念012

习题013

2控制系统的数学描述

2.1控制系统的微分方程描述015

2.1.1典型控制系统的数学模型016

2.1.2非线性微分方程的线性化020

2.2拉普拉斯变换及反变换022

2.2.1Laplace变换的定义022

2.2.2Laplace变换的性质及其应用023

2.2.3Laplace反变换026

2.2.4利用Laplace变换求解线性微分方程028

2.3控制系统的传递函数描述029

2.3.1传递函数的概念和性质029

2.3.2典型环节的传递函数030

2.4控制系统的结构图033

2.4.1结构图的概念033

2.4.2控制系统结构图的建立034

2.4.3结构图的等效变换035

2.5控制系统的信号流图039

2.5.1信号流图040

2.5.2梅逊公式040

2.6闭环控制系统的传递函数042

2.7控制系统数学模型的Matlab描述045

本章小结047

关键术语和概念047

习题048

3时域分析法

3.1典型输入信号与时域性能指标054

3.1.1典型输入信号054

3.1.2系统的时域性能指标056

3.2一阶系统的时域分析058

3.2.1一阶系统的单位阶跃响应058

3.2.2一阶系统的单位脉冲响应059

3.2.3一阶系统的单位斜坡函数响应059

3.3二阶系统的时域分析060

3.3.1二阶系统的单位阶跃响应060

3.3.2二阶系统的脉冲响应0633.

3.3欠阻尼二阶系统在单位阶跃输入作用下的瞬态响应指标064

3.3.4改善二阶系统性能的措施070

3.4高阶系统的时域分析071

3.4.1高阶系统的单位阶跃响应071

3.4.2主导极点072

3.5线性系统的稳定性分析073

3.5.1稳定性概念073

3.5.2稳定的充分必要条件074

3.5.3稳定判据076

3.6线性系统的稳态误差082

3.6.1稳态误差概念083

3.6.2稳态误差的计算084

3.6.3减小或消除稳态误差的措施089

3.7利用Matlab进行时域分析091

本章小结094

关键术语和概念095

习题095

4根轨迹分析法

4.1根轨迹的基本概念098

4.1.1采用解析法绘制根轨迹图098

4.1.2根轨迹与系统性能099

4.1.3根轨迹方程100

4.1.4利用试探法确定根轨迹上的点101

4.2根轨迹绘制的基本规则101

4.2.1绘制根轨迹的基本规则101

4.2.2绘制根轨迹举例112

4.3广义根轨迹绘制117

4.3.1参变量根轨迹的绘制117

4.3.2正反馈系统根轨迹的绘制119

4.3.3非*小相位系统的根轨迹122

4.4基于根轨迹的系统性能分析123

4.4.1开环零、极点对根轨迹的影响123

4.4.2利用根轨迹估算系统参数与性能127

4.4.3闭环零、极点分布与系统性能的关系129

4.5利用Matlab绘制根轨迹图130

本章小结134

关键术语和概念135

习题135

5频域分析法

5.1频率特性的基本概念138

5.2频率特性的图示方法140

5.2.1极坐标图140

5.2.2对数坐标图150

5.3奈奎斯特稳定判据161

5.3.1幅角定理161

5.3.2奈奎斯特稳定判据162

5.4控制系统的稳定裕量168

5.4.1相角裕量和幅值裕量168

5.4.2稳定裕量的计算169

5.5控制系统的闭环频率特性170

5.6频域响应与系统性能指标间的关系173

5.6.1二阶系统173

5.6.2高阶系统174

5.7利用Matlab进行控制系统的频域分析175

本章小结176

关键术语和概念177

习题178

6线性控制系统的综合与校正

6.1综合与校正的概念181

6.1.1校正的基本方式182

6.1.2基本控制规律182

6.1.3校正装置及其特性185

6.2串联校正190

6.2.1串联超前校正190

6.2.2串联滞后校正192

6.2.3滞后-超前校正194

6.3反馈校正195

6.3.1反馈校正的基本原理195

6.3.2反馈校正设计196

6.4复合校正199

6.5利用Matlab进行系统校正200

本章小结202

关键术语和概念202

习题203

7离散时间控制系统

7.1离散系统的基本概念206

7.2采样过程与采样定理208

7.2.1采样过程及其数学描述208

7.2.2采样定理210

7.2.3信号的恢复211

7.3Z变换理论213

7.3.1Z变换定义和性质213

7.3.2Z变换方法215

7.3.3Z反变换方法219

7.4离散控制系统的数学描述221

7.4.1线性常系数差分方程221

7.4.2脉冲传递函数224

7.5离散控制系统的分析与设计231

7.5.1稳定性分析232

7.5.2瞬态响应235

7.6离散控制系统的稳态误差236

7.7离散系统的数字控制器设计238

7.8离散系统的Matlab仿真242

本章小结246

关键术语和概念247

习题247

8非线性控制系统

8.1非线性系统的特点250

8.2典型非线性环节的数学描述251

8.3描述函数法253

8.3.1描述函数的基本概念253

8.3.2典型非线性特性的描述函数254

8.3.3用描述函数分析非线性系统259

8.4相平面法263

8.4.1相平面图及绘制方法263

8.4.2奇点与极限环266

8.4.3相平面分析举例269

8.5非线性系统的Matlab仿真273

本章小结276

关键术语和概念276

习题277

参考文献