自动控制原理 宫二玲 等

控制工程是一个充满新奇和挑战的领域，从本质上讲，它是一个跨学科的综合性领域，自动控制原理则是该领域的学习中非常重要的一门核心基础课程。一般而言，控制工程基本理论的学习可以采取两条不同的途径：一方面，因为控制工程建立在坚实的数学基础之上，因此可以将基本原理作为重点，从严格的理论角度进行学习，再将其应用到具体的工程实践中；另一方面，因为控制工程的终极目标是实现对实际系统的控制，因此也可以在设计反馈控制系统的实践中，凭直观和实践经验进行学习，不过没有理论的指导可能要走很多弯路。我们深信要能深入地、卓有成效地理解和掌握自动控制的基本思想和理论方法，就必须系统地学习前人的研究成果，并对其进行挖掘和创新。本书可作为工科类本科生学习自动控制基本原理的教材。相较于目前为数众多的同类教材，本书具有如下显著特点：
1重新整合经典控制和现代控制的基本内容，将其分为模型篇、分析篇、设计篇三大部分，这是本书的最大特色。这种篇章结构带来的好处是，更方便将研究同一问题的各种方法加以横向比较，进而做到融会贯通。
例如，在“模型篇”中，针对连续时间LTI系统分别介绍了微分方程模型、传递函数模型、框图与信号流图模型、频域模型。其中，微分方程模型是对连续时间系统的时域描述，也是根据系统运行的物理机理建立起来的最原始模型；当在零初始条件下，对微分方程两边同时进行Laplace变换后，就可以整理得到传递函数模型，它也是系统单位脉冲响应的Laplace变换；在传递函数模型的基础上，如果对系统内部结构了解得比较清楚，则可以用图示化的方式加以展示，即框图模型或信号流图模型，当然由Mason公式也可以方便地得到传递函数模型；在零初始条件下，对系统输入不同频率的正弦信号，其稳态输出仍是正弦信号，只是输出幅值和相位是输入信号频率的函数，这就是系统的频率特性。事实上，频率特性也可以看作是系统单位脉冲响应的傅里叶变换。这样，我们就把用于描述连续时间LTI控制系统的4种模型有机地结合起来，同时可以认为它们是对同一个系统从不同角度的描述，具有“横看成岭侧成峰”的效果。对于离散时间LTI系统本书则介绍了差分方程、脉冲传递函数、状态空间3种模型。在“分析篇”中，对连续时间系统按照稳定性分析、瞬态性能分析、稳态性能分析将内容组成3章，每一章中都运用多种方法对同一性能从不同角度进行分析。例如，稳定性分析中就采用了Routh-Hurwitz判据、根轨迹、Nyquist判据3种方法，对同一个系统而言，3种方法的切入角度不同，但分析的结论应该是一致的。瞬态性能和稳态性能的分析中也采用了不同的方法加以比较。“设计篇”中对于校正装置的经典设计介绍了基于根轨迹和基于Bode图两种思路，现代控制系统设计中介绍了基于状态空间模型的状态反馈控制器和状态观测器的设计方法。对于离散控制系统还介绍了基于模拟控制器的转换设计法和数字控制器的直接设计法。作为自动控制基本理论的延伸和拓展，“设计篇”中还介绍了PID控制和最优控制的基本思想。
2. 为适应新形态教材的需要，本书配备了丰富的数字化学习资源，包括微课视频、实验指导视频、MATLAB操作视频、思维导图等。在合适的知识点处，通过“拓展阅读”融入了思政元素，使本书的内容得以升华。读者通过扫描二维码，即可方便地获得上述资源。为更好地帮助读者掌握MATLAB工具在控制系统建模、分析和设计中的运用，本书在每章的最后一节都设置了MATLAB应用专题，其中既包含对单条指令的介绍，又包含为解决一个实际问题而编写的MATLAB脚本程序，以及程序运行后的结果。
3．作为附录，本书提供了一个循序渐进的案例——高炮随动控制系统。在简要介绍了系统的结构和工作原理后，分别对系统的数学模型建立，系统的稳定性、瞬态性能、稳态性能分析，以及系统性能的改进和设计进行论述，这样，一方面可以作为各篇所讲述基本理论知识的综合运用，另一方面又可以展现自动控制理论在装备系统中的具体应用。限于篇幅附录内容以二维码形式呈现，扫描本页下方二维码可获取附录内容。
本书由宫二玲、沈辉、白圣建、徐婉莹编著，其中宫二玲完成了第1、3、5、7、9、10、13、14章及附录的编写工作，沈辉完成了第2、4、6、8、11、12、15章的编写工作，白圣建完成了数字化资源的制作及整理工作，徐婉莹完成了思政元素的收集与编写工作。还要特别感谢国防科技大学自动控制原理课程组的张湘平教授、谢红卫教授、张明教授、韦庆教授、张辉教授、孙志强讲师等同事的指导和帮助。
由于编者水平有限，书中难免存在不妥和错误之处，恳请读者批评指正。

编者

本书针对工科院校普遍开设的“自动控制原理”课程，系统地阐述了经典控制理论和现代控制理论所涉及的基本内容。作为主要特色之一，本书将这些内容划分为模型篇、分析篇和设计篇三大部分。其中模型篇涵盖了连续时间系统的微分方程与传递函数模型、框图与信号流图模型、频域模型、离散时间系统的差分方程与脉冲传递函数模型，以及作为现代控制理论基石的状态空间模型；分析篇包括连续时间系统的稳定性、瞬态性能、稳态性能分析，以及离散时间系统的性能分析，其中每一种性能分析都用到了多种方法，例如稳定性分析用到了Routh-Hurwitz判据、根轨迹方法、Nyquist判定方法等；设计篇包括连续时间超前/滞后校正网络设计、离散时间数字控制器设计、状态反馈控制器设计、PID控制器以及最优控制器设计。
本书采用二维码技术，加入了丰富的数字化学习资源，并穿插适当的思政元素，可以加强学生对抽象理论知识的理解，提高学习的兴趣。
本书可以作为高等工科院校多个专业（电气、机械、航空航天、自动化、化工等）本科生的“自动控制原理”课程教材，也可供从事自动控制系统相关工作的教师、研究生、科研或工程技术人员参考。

高等院校教师

前言
第1章 导论
1.1概述
1.2自动控制的基本思想
1.3自动控制系统的类型
1.4自动控制系统性能的基本要求
1.5全书的体系结构和研究内容
习题1模型篇
第2章 微分方程与传递函数模型
2.1线性定常微分方程
2.2传递函数
2.3电气系统
2.4机械系统
2.5相似系统
2.6非线性系统的线性化
2.7模型误差
2.8用MATLAB处理传递函数
习题2
第3章 框图与信号流图模型
3.1框图模型
3.2信号流图
3.3利用MATLAB函数或Simulink环境进行系统建模
习题3
第4章 控制系统的频域模型
4.1频率特性的基本概念
4.2频率特性的表示方法
4.3典型环节的频率特性
4.4系统开环频率特性的绘制
4.5利用MATLAB绘制频率特性
习题4
第5章 差分方程与脉冲传递函数模型
5.1离散时间系统
5.2信号的采样、保持及转换
5.3离散时间系统的差分方程模型
5.4线性常系数差分方程的求解
5.5离散时间系统的脉冲传递函数模型
5.6利用MATLAB处理脉冲传递函数
习题5
第6章 状态空间模型
6.1动态系统的状态空间描述法
6.2模型变换与实现问题
6.3线性连续定常系统状态方程的解
6.4离散系统的状态空间模型
习题6分析篇
第7章 控制系统的稳定性分析
7.1稳定性研究概述
7.2稳定性概念
7.3 Routh-Hurwitz判据及其应用
7.4基于根轨迹的稳定性分析
7.5 Nyquist稳定性判据
7.6相对稳定性
习题7
第8章 控制系统的瞬态性能分析
8.1控制系统的时域瞬态性能分析
8.2控制系统的频域瞬态性能分析
8.3利用MATLAB分析瞬态性能指标
习题8
第9章 控制系统的稳态性能分析
9.1稳态性能指标
9.2稳态误差系数
9.3干扰稳态误差
9.4根轨迹方法分析稳态误差
9.5频率响应方法分析稳态误差
9.6减小稳态误差的方法
9.7MATLAB分析稳态误差
习题9
第10章 离散控制系统的性能分析
10.1离散控制系统的稳定性分析
10.2离散控制系统的瞬态性能分析
10.3离散控制系统的稳态性能分析
10.4应用MATLAB分析离散控制系统的性能
习题10设计篇
第11章 控制系统的校正设计
11.1校正的基本方式
11.2常用的串联校正网络及其性质
11.3串联校正的频率响应综合法
11.4串联校正的根轨迹设计法
11.5利用MATLAB进行系统串联校正设计
习题11
第12章 状态反馈控制器设计
12.1引言
12.2控制系统的能控性与能观性
12.3状态反馈控制器
12.4引入状态观测器的状态反馈系统
习题12
第13章 离散控制系统的设计
13.1概述
13.2数字控制器的间接设计法
13.3数字控制器的直接设计法
13.4应用MATLAB进行离散控制系统的设计
习题13
第14章PID控制
14.1 PID控制原理
14.2 PID控制器设计
14.3极点配置PID控制
习题14
第15章 最优控制
15.1概述
15.2最优控制问题
15.3控制变量无约束的最优控制
15.4二次型性能指标的最优控制
15.5运用MATLAB设计最优控制系统
习题15
参考文献

本书针对工科院校普遍开设的“自动控制原理”课程，系统地阐述了经典控制理论和现代控制理论所涉及的基本内容。作为主要特色之一，本书将这些内容划分为模型篇、分析篇和设计篇三大部分。其中模型篇涵盖了连续时间系统的微分方程与传递函数模型、框图与信号流图模型、频域模型、离散时间系统的差分方程与脉冲传递函数模型，以及作为现代控制理论基石的状态空间模型；分析篇包括连续时间系统的稳定性、瞬态性能、稳态性能分析，以及离散时间系统的性能分析，其中每一种性能分析都用到了多种方法，例如稳定性分析用到了Routh-Hurwitz判据、根轨迹方法、Nyquist判定方法等；设计篇包括连续时间超前/滞后校正网络设计、离散时间数字控制器设计、状态反馈控制器设计、PID控制器以及最优控制器设计。
本书采用二维码技术，加入了丰富的数字化学习资源，并穿插适当的思政元素，可以加强学生对抽象理论知识的理解，提高学习的兴趣。
本书可以作为高等工科院校多个专业（电气、机械、航空航天、自动化、化工等）本科生的“自动控制原理”课程教材，也可供从事自动控制系统相关工作的教师、研究生、科研或工程技术人员参考。

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