自动控制系统（原书第10版）

图书标准信息

• 作者 C郭 著；法里德·高那菲（Farid Golnaraghi）、[美]本杰明、李少远 邹媛媛 译
• 出版社 机械工业出版社
• 出版时间 2020-06
• 版次 1
• ISBN 9787111655770
• 定价 149.00元
• 装帧 平装
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸
• 页数 640页
• 字数 100千字

【内容简介】

本书一直被美国及全世界的上百所大学采用。全书内容更加条理化，并且引入了更多的计算机辅助工具。该书把控制理论、实际例子与计算机工具有机地结合在一起，用易于接受的方式，全面而又恰当地介绍了控制的内容。第10版提供了控制实验室的概念，它包括两类实验：SIMLab（模型模拟）和LEGOLab（物理实验中使用的乐高?机器人）。它使读者能用简单的方式处理控制系统的建模、分析、设计与模拟。

【作者简介】

法里德·高那菲（Farid Golnaraghi），康奈尔大学获得理论和应用力学博士，专攻非线性动力学和控制系统。现为加拿大西蒙弗雷泽大学（SFU）教授和机电系统工程项目主任。在加入西蒙弗雷泽大学之前，他是滑铁卢大学机械工程和机电一体化系教授。他是加拿大工程院院士，开创性研究成果包括三本教科书、两百多篇期刊和会议论文、四项专利和三家初创公司。 

 本杰明·C郭（Benjamin CKuo），伊利诺伊大学香槟（UIUC）分校电气和计算机工程系荣休教授。他在1958年博士毕业后加入该系，并在这里工作了31年。作为自动控制领域的研究者和教育者，他的成绩斐然，是一位真正有远见的先驱者。

【目录】

出版者的话 

译者序 

前言 

第1章 绪论1 

11 控制系统的基本组成部分1 

12 控制系统应用举例2 

121 智能交通系统2 

122 汽车转向控制3 

123 汽车怠速控制3 

124 太阳能收集器的太阳跟踪控制3 

13 开环控制系统（无反馈系统）5 

14 闭环控制系统（反馈控制系统）5 

15 反馈的含义及其作用6 

151 反馈对于总增益的影响6 

152 反馈对于稳定性的影响6 

153 反馈对于外部干扰或噪声的作用7 

16 反馈控制系统的类型8 

17 线性系统与非线性系统8 

18 时不变与时变系统9 

19 连续控制系统9 

110 离散控制系统10 

111 案例研究：基于LEGOMINDSTORMS的智能车辆避障11 

112 小结17 

第2章 动态系统的建模18 

21 简单机械系统的建模18 

211 平移运动19 

212 旋转运动22 

213 平移和旋转运动之间的转换26 

214 齿轮系28 

215 齿隙和死区（非线性特性）29 

22 简单电气系统的建模30 

221 无源电气元件建模30 

222 电气网络建模30 

23 简单热系统和简单流体系统的建模33 

231 热系统的基本属性34 

232 流体系统的基本属性36 

24 非线性系统的线性化42 

25 类比44 

26 案例研究：LEGO MINDSTORMSNXT电动机―机械建模46 

27 小结46 

参考文献47 

习题47 

第3章 动态系统的微分方程求解58 

31 微分方程介绍58 

311 线性常微分方程59 

312 非线性微分方程59 

32 拉普拉斯变换60 

321 拉普拉斯变换的定义60 

322 拉普拉斯变换的重要定理61 

323 传递函数61 

324 特征方程62 

325 解析函数62 

326 函数的极点62 

327 函数的零点63 

328 共轭复极点和零点64 

329 终值定理65 

33 部分分式展开的拉普拉斯逆变换65 

34 拉普拉斯变换在线性常微分方程求解中的应用71 

341 一阶系统71 

342 二阶系统73 

343 二阶系统―进一步讨论80 

35 线性系统的脉冲响应和传递函数83 

351 脉冲响应83 

352 基于脉冲响应的时间响应84 

353 传递函数（单输入单输出系统）85 

36 系统的一阶微分方程：状态方程85 

361 状态变量的定义88 

362 输出方程89 

37 线性齐次状态方程的解92 

371 传递函数（多变量系统）93 

372 由状态方程到特征方程95 

373 由传递函数到状态方程96 

38 MATLAB案例研究99 

39 线性化回顾：状态空间方法104 

310 小结108 

参考文献108 

习题109 

第4章 控制框图和信号流图119 

41 控制框图119 

411 控制系统中典型元件的控制框图建模120 

412 数学方程和控制框图的关系123 

413 控制框图简化126 

414 多输入系统的控制框图：特殊情况―扰动系统128 

415 多变量系统的控制框图与传递函数129 

42 信号流图131 

421 信号流图代数132 

422 信号流图术语的定义133 

423 信号流图的增益公式135 

424 在输出节点与非输入节点间增益公式的应用139 

425 简化增益公式140 

43 状态图141 

431 由微分方程到状态图141 

432 由状态图到传递函数143 

433 由状态图到状态和输出方程143 

44 案例研究145 

45 MATLAB工具箱155 

46 小结158 

参考文献158 

习题158 

第5章 线性控制系统的稳定性168 

51 稳定性介绍168 

52 稳定性判定方法171 

53 Routh-Hurwitz判据171 

531 Routh表格172 

532 Routh表格提前终止时的特殊情形173 

54 MATLAB工具和案例分析176 

55 小结182 

参考文献182 

习题182 

第6章 反馈控制系统的重要组成186 

61 有源电气元件的建模：运算放大器188 

611 理想运算放大器188 

612 和与差188 

613 一阶运算放大器的配置188 

62 控制系统中的传感器和编码器191 

621 电位计191 

622 转速计194 

623 增量编码器195 

63 控制系统中的直流电动机197 

631 直流电动机的基本操作原理198 

632 永磁直流电动机的基本分类198 

633 永磁直流电动机的数学模型200 

64 直流电动机的速度控制及位置控制203 

641 速度响应、自感效应和扰动：开环响应203 

642 直流电动机的速度控制：闭环响应206 

643 位置控制207 

65 案例研究208 

651 案例1：太阳观测系统208 

652 案例2：四分之一车辆悬挂系统210 

66 虚拟实验室：LEGO MINDSTORMSNXT电动机入门―建模和表征213 

661 NXT电动机213 

662 电气特性213 

663 机械特性214 

664 速度响应和模型验证220 

67 小结221 

参考文献221 

习题221 

第7章 控制系统的时域分析234 

71 连续时间系统的时间响应234 

72 评价控制系统时间响应性能的典型测试信号235 

73 单位阶跃响应和时域描述236 

74 一阶系统的时间响应237 

75 二阶系统的暂态响应240 

751 阻尼比和自然频率240 

752 最大超调（0 <  ζ <  1）244 

753 延迟时间和上升时间（0 <  ζ <  1）246 

754 调节时间（5%和2%）247 

755 暂态响应性能指标总结250 

76 稳态误差253 

761 稳态误差的定义253 

762 有干扰情况下的系统稳态误差259 

763 控制系统的类型：单位反馈系统261 

764 误差常数261 

765 非线性系统元件产生的稳态误差265 

77 基础控制系统以及传递函数增加零极点带来的影响267 

771 在前向通道传递函数中增加一个极点：单位反馈系统267 

772 在闭环传递函数中增加一个极点269 

773 在闭环传递函数中增加一个零点270 

774 在前向通道传递函数中增加一个零点：单位反馈系统271 

775 增加零极点：时域响应控制272 

78 传递函数的主导零极点277 

781 零极点影响的总结278 

782 相对阻尼比279 

783 稳态响应考虑下的次要极点忽略方法279 

79 案例研究：定位控制系统的时域分析279 

791 二阶系统：单位阶跃暂态响应281 

792 二阶系统：单位阶跃稳态响应284 

793 三阶系统的时间响应―电气时间常数不能忽略284 

794 三阶系统：单位阶跃暂态响应284 

795 三阶系统：单位阶跃稳态响应287 

710 控制实验室：LEGO MINDSTORMS NXT电动机介绍―位置控制287 

711 小结291 

参考文献292 

习题292 

第8章 状态空间分析与控制器设计305 

81 状态变量分析305 

82 控制框图、传递函数和状态控制框图305 

821 传递函数（多变量系统）305 

822 多变量系统的控制框图和传递函数306 

83 一阶微分系统的状态方程308 

831 状态变量的定义308 

832 输出方程309 

84 状态方程的向量-矩阵表示310 

85 状态转移矩阵312 

851 状态转移矩阵的意义313 

852 状态转移矩阵的性质313 

86 状态转移方程314 

87 状态方程与高阶微分方程之间的关系318 

88 状态方程与传递函数之间的关系319 

89 特征方程、特征值和特征向量321 

891 由微分方程求特征方程322 

892 由传递函数求特征方程322 

893 由状态方程求特征方程322 

894 特征值323 

895 特征向量323 

896 广义特征向量324 

810 相似变换325 

8101 相似变换的不变特性326 

8102 相似变换前后的特征方程、特征值和特征向量326 

8103 传递函数矩阵326 

8104 能控标准型326 

8105 能观标准型328 

8106 对角标准型329 

8107 Jordan标准型330 

811 传递函数分解331 

8111 直接分解331 

8112 串级分解335 

8113 并行分解336 

812 控制系统的能控性337 

8121 能控性的概念338 

8122 状态能控性的定义339 

8123 能控性的其他检验方法339 

813 线性系统的能观性341 

8131 能观性的定义341 

8132 能观性的其他检验方法342 

814 能控性、能观性和传递函数之间的关系342 

815 能控性和能观性的不变性定理344 

816 案例研究：磁球悬浮系统345 

817 状态反馈控制348 

818 通过状态反馈进行极点配置349 

819 带有积分控制的状态反馈353 

820 MATLAB工具箱和案例学习358 

8201 状态空间分析工具箱的使用和说明359 

8202 tfsym在状态空间应用中的使用和说明361 

821 案例研究：LEGO MINDSTORMS机器臂系统的位置控制361 

822 小结366 

参考文献367 

习题367 

第9章 根轨迹法386 

91 根轨迹的基本性质387 

92 根轨迹的性质详解389 

921 K=0和K=±∞的点389 

922 RL的分支数390 

923 RL的对称性390 

924 RL的渐近线交角：|s|=∞处RL的行为391 

925 渐近线的交点（质心）392 

926 实轴上的RL395 

927 RL的出射角和入射角395 

928 RL与虚轴的交点398 

929 RL的分离点（鞍点）398 

9210 RL在分离点处的入射角和出射角399 

9211 RL上K值的计算402 

9212 小结402 

93 根灵敏度406 

94 根轨迹设计410 

941 在G(s)H(s)中增加零极点的影响410 

942 在G(s)H(s)中增加极点410 

943 在G(s)H(s)中增加零点412 

95 根轨迹族：多参数变化情形415 

96 MATLAB工具箱421 

97 小结422 

参考文献423 

习题423 

第10章 频域分析430 

101 引言430 

1011 闭环系统的频率响应437 

1012 频域指标438 

102 二阶系统的谐振峰值、谐振频率和带宽439 

1021 谐振峰值和谐振频率439 

1022 带宽440 

103 前向通道传递函数增加极点和零点的影响442 

1031 前向通道传递函数增加零点的影响443 

1032 前向通道传递函数增加极点的影响447 

104 Nyquist稳定性判据：基本原理449 

1041 稳定性问题449 

1042 环绕和闭合的定义450 

1043 环绕和闭合的次数451 

1044 幅角原理451 

1045 Nyquist曲线455 

1046 Nyquist判据以及L(s)或G(s)H(s)图455 

105 具有最小相位传递函数的系统的Nyquist判据456 

106 根轨迹和Nyquist图的关系458 

107 示例：最小相位传递函数的Nyquist判据460 

108 增加的极点和零点对Nyquist图的形状的影响464 

1081 在s=0处加入极点464 

1082 增加有限个非零极点466 

1083 增加零点466 

109 相对稳定性：增益裕量和相位裕量467 

1091 增益裕量469 

1092 非最小相位系统的增益裕量470 

1093 相位裕量470 

1010 用Bode图进行稳定性分析472 

1011 相对稳定性与Bode图的幅值曲线的斜率之间的关系475 

1012 用幅值-相位图进行稳定性分析477 

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