本书是广东省精品课程“自动控制原理”的主教材，也是为“十二五”教学改革需要而编写的本科生自动化专业核心基础课教材。本书系统地阐述了自动控制理论的基本概念、原理，自动控制系统的经典分析和校正方法。全书分3部分，共计9章：第一部分为反馈控制系统的建模、稳定性与特性，由第1章绪论、第2章控制系统的数学模型和第3章控制系统的稳定性及特性组成；第二部分为线性控制系统的分析与校正，由第4章线性控制系统的时域分析、第5章根轨迹分析法、第6章频率特性分析法和第7章线性控制系统的校正组成；第三部分由第8章线性离散控制系统和第9章非线性控制系统组成。 本书在内容编排上面向宽口径的自动化专业，力求与时俱进地进行教材改革实践与创新：解决教学过程中发现的问题；满足宽口径自动化专业的需要；增加面向控制工程的理论与知识；增强计算机辅助教学的应用。各章安排了丰富的例题和习题。本书配有电子课件、MATLAB源代码、习题参考答案等教学资源。     读者对象：本书可作为高等学校电气信息类自动化及相关专业本科生教材，也可供相关行业从事控制工程实践的工程技术人员自学和参考。

前 言 　　本书的编写历时近二年，期间正值“国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020)”制定之际，而本书正是为“十二五”规划及今后约8年期间的教学改革需要而编写的本科生自动化专业核心基础课教材。从这一点看，本书的编写工作切合了国家规划今后10年教育改革和发展的主题。 　　本书系统地阐述了自动控制理论的基本概念、原理，以及自动控制系统的经典分析和校正设计方法。全书分3部分，共计9章：第一部分为反馈控制系统的建模、稳定性与特性，由第1章绪论、第2章控制系统的数学模型和第3章控制系统的稳定性及特性组成；第二部分为线性控制系统的分析与校正，由第4章线性控制系统的时域分析、第5章根轨迹分析法、第6章频率特性分析法和第7章线性控制系统的校正组成；第三部分由第8章线性离散控制系统和第9章非线性控制系统组成。作为教材，本书各知识单元的讲授分3个层次：熟练掌握、掌握和了解。经过分层次教学的实践，推荐的教学时数为80学时。 　　本书在内容编排上面向宽口径的自动化专业，力求与时俱进地进行教材改革实践与创新。主要特色如下。 1．解决教学过程中发现的问题 　　在每年的研究生面试中发现，不少学习过“自动控制原理”课程的学生，对许多概念仍存在各种各样认识不清的问题。例如，在回答反馈控制系统的组成这一最基本的问题时，学生的回答常常也会五花八门，这反映出他们对反馈控制系统基本结构特点认识不清。究其原因发现，许多传统教材并非面向宽口径的专业需要，如在讲述反馈控制系统组成时，通常采用“元件”一词。这使得不能代表反馈控制系统结构特点的“供电元件”等常出现在系统的组成中，从而引起一定的混淆。又如, 一些传统教材通常仅在绪论中给出开环控制与闭环控制区别的简单定性叙述，而借助数学工具对反馈控制系统的特性本质分析不足，常使学生对反馈特性的优点没有足够深刻的认识，因而难以自觉地运用。类似的问题还有很多，解决此类问题一般可从两方面考虑：一方面学生需要通过实践来加深认识，这需在工作实践中来解决；另一方面就是进行教材改革，以融入新的内容来加以解决。 　　本书在编写内容上力求解决教学过程中所发现的各种问题。例如，将反馈控制系统的结构特点、稳定性及特性单独组成第3章来讲解，力求使读者对反馈控制的基本原理不但有定性认识，更有定量认识，从而加深对自动控制原理本质的理解，进一步增强学习后续章节的目的性，并将这种定性和定量的认识始终贯穿在学习控制系统分析和校正方法中去。 2．满足宽口径自动化专业的需要 　　为满足宽口径自动化专业的需要，本书在内容编排上所做的努力主要包括： 　　(1) 关于反馈控制系统组成的划分，在保留按构成系统的基本元件划分的前提下，侧重了更一般的按系统内部基本功能环节划分的体系(第1章)，并运用于全书。 　　(2) 在时域性能指标上，除了上升时间、超调量和调节时间等常见指标外，还增加了过程工业中广泛采用的衰减比指标(第4章)，并运用于全书。 　　(3) 关于按扰动补偿的前馈方案，不但介绍前馈与反馈联合设计的补偿方案，更侧重介绍仅依赖控制通道和干扰通道模型的前馈补偿方案(第3、4和7章)，并运用于全书。 　　(4) 除了提供PID控制器的时域分析外(第4章)，还从校正设计的角度引入PID控制器参数整定法的知识内容(第7章)。 　　(5) 介绍了线性控制系统的相变量状态方程模型，以及其与输入?输出模型的互相变换(第2章)，有限地拓宽了经典控制系统建模的内容，主要目的是为采用相变量的非线性控制系统相平面分析法(第9章)提供相关基础知识。 3．增加面向控制工程的理论与知识 　　我国自动化专业的“自动控制原理”课程，国外对应的课程常称为“自动控制系统”。这一定位的区别反映在国内传统“自动控制原理”教材更注重理论分析方法的讲述，对面向控制工程的理论与知识介绍不多，对自动控制理论与自动化事业的关系也很少解释。本书提供面向控制工程的必要理论与知识，以提高学生运用自动控制理论的能力。这些努力主要包括： 　　(1) 第1章，除了提供“自动控制理论发展简史”一节，介绍自动控制理论发展史外，还提供“控制工程实践”一节，简介我国自动化事业的发展，同时尝试提供更多的专业术语解释。 　　(2) 第2章，除介绍微分方程的增量化外，还介绍了微分方程的无因次化。实际工业控制系统中，测量变送器的输出、控制器的输入与输出等信号常为标准信号量程的分数，而无因次变换是此类变换的基础。 　　(3) 第3章，采用定性和定量相结合的方法分析了反馈控制系统的特性及其所带来的好处；同时在对构成复杂反馈控制系统的常见基本结构及其特性进行理论分析的基础上，提供若干反馈控制系统方案选择的理论依据。 　　(4) 第3章，介绍了前馈补偿的不变性原理和双通道特性的内容，为前馈补偿方案的选择和设计提供理论依据。 　　(5) 第4章，给出了二阶系统阶跃响应曲线拐点的推导，为第7章PID控制器参数整定法提供必要的理论知识。 　　(6) 为增强设计方法的讲述，第1章提供了控制系统设计概述，第4章给出了前馈补偿器的设计方法，第7章校正设计方法中侧重了计算机软件MATLAB辅助设计的内容。 　　(7) 第9章，侧重非线性控制系统分区线性化分析方法的介绍。 　　(8) 由于增加了面向控制工程的理论与知识内容，本书仍以经典名称“自动控制原理” 作为书名，而未采用“自动控制理论”名称。 4．增强计算机辅助教学的应用 　　近年来，利用计算机软件MATLAB辅助“自动控制原理”的教学已经成为所有新教材的选择，本书也不例外。本书从第2章起，每章均设有一节讲解MATLAB的应用和例题，各章的习题中也增加了MATLAB的应用习题。同时，在第7章中以MATLAB辅助分析与设计为主要方法讲解控制系统的校正设计内容。此外，书中所有图片均实现了计算机制图，为了增强MATLAB的应用内容，凡涉及系统响应数据的图则先用MATLAB仿真获得数据后再绘图，MATLAB的应用已贯穿全书始终。 　　本书是广东省精品课程“自动控制原理”的主教材，主编在编写期间担任了教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会委员，通过参加和承办教学指导分委员会主办的各种本科生教学活动及教育年会的交流活动，对面向21世纪自动化专业的需求有了更深的认识。在此基础上，结合30多年的教学经验和实践体会，并考虑与现有教学内容的衔接，确定了本书的目录和编写提纲。当然，本书在内容编排上的选择不是唯一的，但编写实践证明，那种试图一次性解决所有的教学可能需要的做法，既不符合教学改革不断前进的现实，也难以包括日新月异的控制工程实践的需要。在编写过程中，编著者深深地感到，即使对经典教学内容，只要结合与时俱进的教学改革，仍然存在有所作为的空间。本书的编写定位于面向“十二五”规划期间约8年跨度的需要，并计划随着教学改革的深入不断改进。尽管在创新特色上做了努力，但仍有许多不尽人意之处，还需采用本书的教师、学生及科技人员来检验。在此，恳请广大读者对书中的错误和不妥之处给予指正(E-mail: aubgxu@scut.edu.cn)。 　　本书配有电子课件、MATLAB源代码、习题参考答案等教学资源，需要者可从华信教育资源网http://www.hxedu.com.cn免费注册下载。 　　本书第1章至第3章、第4章4.1节至4.6节、第5章5.1节至5.3节、第9章由胥布工执笔完成；第4章4.7节至4.9节、第5章5.4节至5.7节由谢巍执笔，经胥布工执笔校改完成；第6章至第8章由莫鸿强执笔，经胥布工执笔校改完成，其中，6.7节、6.8节、7.2.2节、7.2.4节、7.2.5节、7.3.4节、7.5.2节由胥布工执笔完成。第1章至第3章、第9章习题由胥布工执笔完成；第4章和第5章习题由谢巍执笔完成；第6章至第8章习题由莫鸿强执笔完成。书中所有图片终稿由胥布工指导其研究生曾德和尤晓萍绘制并审校完成。全书由胥布工执笔统稿完成定稿。 　　本书的编写获得了广东省粤财教2008(342号)项目的资助。华南理工大学教务处、电子工业出版社对本书的编写和出版给予了大力支持。在书稿编写期间，黄道平教授对编写工作提供了持续的支持；张梅、罗家祥、高红霞、高焕丽和袁玲老师作为本书原始稿的第一批读者提出了许多宝贵意见。 　　谨在此对在本书编写过程中付出辛勤劳动和提供帮助的同仁和研究生们表示真诚的谢意！ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 于广州·华南理工大学

目 录 第1章 绪论 (1) 1.1 引言 (1) 1.1.1 自动控制理论发展简史 (1) 1.1.2 控制工程实践 (3) 1.2 自动控制的基本原理 (4) 1.2.1 人工控制与自动控制 (4) 1.2.2 开环控制与闭环控制 (6) 1.2.3 反馈控制系统的基本要求 (8) 1.3 反馈控制系统的组成 (9) 1.3.1 按构成系统的基本元件划分 (9) 1.3.2 按系统内部基本功能环节划分 (10) 1.3.3 若干常用术语 (11) 1.4 控制系统的分类 (12) 1.4.1 按参考输入信号特征分类 (12) 1.4.2 按系统环节间信号传递形式分类 (12) 1.4.3 按描述系统的动态方程分类 (13) 1.5 控制系统应用实例三则 (13) 1.6 控制系统设计概述 (16) 1.7 本书内容安排 (18) 1.7.1 组织结构 (18) 1.7.2 学习安排 (19) 1.8 小结 (19) 习题 (20) 第2章 控制系统的数学模型 (23) 2.1 引言 (23) 2.2 系统的微分方程 (23) 2.2.1 列写物理系统的微分方程 (23) 2.2.2 微分方程的增量化与无因次化 (27) 2.2.3 非线性微分方程的线性化 (28) 2.2.4 控制系统的微分方程 (30) 2.3 传递函数 (32) 2.3.1 线性系统传递函数的概念和定义 (33) 2.3.2 传递函数的常用表现形式 (34) 2.3.3 典型输入信号及其拉普拉斯变换 (35) 2.3.4 单位脉冲响应函数 (37) 2.3.5 求解系统输出响应的方法 (38) 2.3.6 典型环节及其传递函数 (41) 2.4 结构图 (47) 2.4.1 结构图的组成和基本连接方式 (47) 2.4.2 结构图的等效变换 (48) 2.5 信号流图 (50) 2.5.1 信号流图及有关术语 (51) 2.5.2 信号流图的运算 (51) 2.5.3 信号流图与结构图的对应关系 (52) 2.5.4 梅逊公式及其应用 (53) 2.6 输入-输出模型与内部状态模型的关系 (55) 2.6.1 传递函数模型与相变量型状态流图模型 (55) 2.6.2 传递函数模型与状态方程模型的相互转换 (56) 2.7 利用MATLAB的建模和仿真 (57) 2.7.1 输入传递函数和化简结构图 (57) 2.7.2 求解系统的输出响应 (59) 2.8 小结 (61) 习题 (62) 第3章 控制系统的稳定性及特性 (69) 3.1 引言 (69) 3.2 反馈控制系统的结构及其传递函数 (69) 3.2.1 开环传递函数 (69) 3.2.2 闭环传递函数 (70) 3.2.3 偏差传递函数 (70) 3.3 闭环系统的稳定性 (71) 3.3.1 稳定性的概念和定义 (71) 3.3.2 闭环传递函数的极点与系统的稳定性 (72) 3.3.3 劳斯判据及其应用 (74) 3.4 反馈控制系统的特性 (80) 3.4.1 瞬态响应的改进 (80) 3.4.2 稳态误差的减小 (81) 3.4.3 对内部模型的灵敏度 (82) 3.4.4 对外部干扰的抑制 (83) 3.5 复杂反馈控制系统的基本结构及其特性 (85) 3.5.1 内环反馈校正 (85) 3.5.2 串级控制 (86) 3.5.3 前馈-反馈控制 (88) 3.6 利用MATLAB分析系统的稳定性及特性 (89) 3.6.1 判定系统的稳定性 (90) 3.6.2 求解灵敏度函数 (90) 3.7 小结 (92) 习题 (92) 第4章 线性控制系统的时域分析 (97) 4.1 引言 (97) 4.2 测试输入信号与时域性能指标 (97) 4.2.1 常用测试输入信号 (97) 4.2.2 时域性能指标 (98) 4.3 一阶系统的时域分析 (99) 4.3.1 一阶系统的一般形式 (99) 4.3.2 一阶系统的单位阶跃响应 (100) 4.3.3 一阶系统的单位脉冲响应 (101) 4.4 二阶系统的时域分析 (102) 4.4.1 二阶系统的一般形式 (102) 4.4.2 二阶系统的单位阶跃响应 (102) 4.4.3 二阶系统单位阶跃响应的性能指标 (105) 4.4.4 二阶系统的单位脉冲响应 (109) 4.4.5 二阶系统的性能改善 (110) 4.4.6 具有零点的二阶系统分析 (113) 4.4.7 扰动作用下的二阶系统分析 (117) 4.5 高阶系统的时域分析 (119) 4.5.1 高阶系统的时域响应 (119) 4.5.2 闭环主导极点 (120) 4.6 稳态误差分析 (122) 4.6.1 控制系统的类型 (123) 4.6.2 参考输入作用下的稳态误差 (123) 4.6.3 扰动输入作用下的稳态误差 (126) 4.6.4 提高稳态精度的方法 (128) 4.7 基本控制规律的时域分析 (131) 4.7.1 比例(P)控制 (132) 4.7.2 比例加微分(PD)控制 (132) 4.7.3 比例加积分(PI)控制 (133) 4.7.4 比例加积分加微分(PID)控制 (134) 4.8 利用MATLAB进行控制系统的时域分析 (135) 4.8.1 参考输入响应分析 (135) 4.8.2 扰动输入响应分析 (136) 4.9 小结 (137) 习题 (138) 第5章 根轨迹分析法 (143) 5.1 引言 (143) 5.2 根轨迹的基本概念 (143) 5.2.1 根轨迹图 (143) 5.2.2 根轨迹方程 (145) 5.3 绘制根轨迹的一般方法 (146) 5.3.1 绘制根轨迹的基本法则 (147) 5.3.2 参数根轨迹的绘制 (156) 5.4 根轨迹法的扩展应用 (157) 5.4.1 双回路系统的根轨迹 (157) 5.4.2 延迟系统的根轨迹 (158) 5.4.3 0度根轨迹的绘制 (162) 5.5 开环零、极点对系统根轨迹的影响 (164) 5.5.1 开环零点对根轨迹的影响 (164) 5.5.2 开环极点对根轨迹的影响 (165) 5.5.3 开环偶极子对根轨迹的影响 (165) 5.6 利用MATLAB分析控制系统的根轨迹 (166) 5.6.1 绘制根轨迹与求取根轨迹增益 (166) 5.6.2 分析控制系统的稳定性 (168) 5.7 小结 (169) 习题 (169) 第6章 频率特性分析法 (172) 6.1 引言 (172) 6.2 频率特性的基本概念 (172) 6.2.1 频率响应与频率特性的定义 (172) 6.2.2 频率特性的物理意义 (174) 6.2.3 反馈控制系统的典型频率特性 (175) 6.3 频率特性图示法 (176) 6.3.1 幅相频率特性曲线 (177) 6.3.2 对数频率特性曲线 (177) 6.3.3 对数幅相特性曲线 (178) 6.4 系统的开环频率特性 (179) 6.4.1 基本因式的频率特性 (179) 6.4.2 幅相频率特性曲线的起点、走向和终点 (183) 6.4.3 对数频率特性曲线的渐近线和转折频率 (186) 6.4.4 最小相位系统和非最小相位系统 (189) 6.5 奈奎斯特稳定判据 (191) 6.5.1 幅角原理 (192) 6.5.2 幅角原理的应用 (193) 6.5.3 奈奎斯特稳定判据的应用 (194) 6.5.4 基于对数频率特性的奈奎斯特稳定判据 (198) 6.6 稳定裕度 (200) 6.6.1 幅稳定裕度和相稳定裕度 (200) 6.6.2 稳定裕度与时域性能指标的关系 (203) 6.7 基于开环对数频率特性的系统性能分析 (205) 6.7.1 低频段特性与系统稳态误差的关系 (205) 6.7.2 中频段特性与系统瞬态性能的关系 (206) 6.7.3 高频段特性与闭环频率特性的关系 (208) 6.8 闭环频率特性与系统性能指标 (208) 6.8.1 闭环频率特性的求取 (208) 6.8.2 闭环频域指标与时域性能指标的关系 (213) 6.9 利用MATLAB进行控制系统的频率特性分析 (214) 6.9.1 绘制奈奎斯特图和伯德图 (214) 6.9.2 分析控制系统的性能 (215) 6.10 小结 (221) 习题 (221) 第7章 线性控制系统的校正 (226) 7.1 引言 (226) 7.2 校正的基本概念 (227) 7.2.1 校正的动机和期望性能指标 (227) 7.2.2 校正方式 (227) 7.2.3 校正装置的设计方法 (229) 7.2.4 常用校正装置的特性 (229) 7.2.5 校正装置的实现 (234) 7.3 频率法设计串联校正 (236) 7.3.1 超前校正的频率法设计 (236) 7.3.2 滞后校正的频率法设计 (239) 7.3.3 滞后-超前校正的频率法设计 (241) 7.3.4 期望开环对数幅频特性设计法 (244) 7.4 根轨迹法设计串联校正 (245) 7.4.1 超前校正的根轨迹法设计 (245) 7.4.2 滞后校正的根轨迹法设计 (248) 7.4.3 滞后-超前校正的根轨迹法设计 (249) 7.5 PID校正 (250) 7.5.1 PID校正的频率法设计 (250) 7.5.2 PID校正的参数整定法设计 (251) 7.6 反馈校正 (253) 7.6.1 反馈校正的设计思路 (253) 7.6.2 反馈校正的设计方法 (254) 7.7 利用MATLAB辅助控制系统的校正设计 (258) 7.7.1 滞后-超前校正设计 (258) 7.7.2 PID参数整定法校正设计 (264) 7.8 小结 (265) 习题 (266) 第8章 线性离散控制系统 (270) 8.1 概述 (270) 8.1.1 离散控制系统的基本概念 (270) 8.1.2 离散控制系统的分析与校正设计方法 (272) 8.2 信号采样与保持 (272) 8.2.1 信号采样 (272) 8.2.2 零阶保持器 (275) 8.3 离散系统的数学模型 (276) 8.3.1 z变换 (276) 8.3.2 z反变换 (279) 8.3.3 差分方程 (281) 8.3.4 脉冲传递函数 (282) 8.4 离散控制系统的稳定性 (287) 8.4.1 离散系统稳定的充分必要条件 (287) 8.4.2 稳定判据 (288) 8.5 离散控制系统的动态性能分析 (293) 8.5.1 s平面到z平面的映射 (293) 8.5.2 闭环极点与阶跃响应瞬态分量的关系 (294) 8.6 离散控制系统的稳态误差分析 (297) 8.6.1 采样时刻的稳态误差 (297) 8.6.2 离散控制系统的无差度 (297) 8.7 离散控制系统的最少拍校正 (299) 8.7.1 最少拍系统的基本概念 (299) 8.7.2 最少拍系统的设计 (300) 8.8 利用MATLAB辅助离散控制系统的分析和校正 (301) 8.8.1 性能分析 (301) 8.8.2 校正设计 (306) 8.9 小结 (313) 习题 (314) 第9章 非线性控制系统 (317) 9.1 概述 (317) 9.1.1 非线性特性的类型 (317) 9.1.2 非线性控制系统的稳定性及特性 (318) 9.1.3 非线性控制系统的分析与综合 (319) 9.2 相平面法 (320) 9.2.1 相平面法的基本概念 (320) 9.2.2 相平面图的绘制 (323) 9.2.3 线性系统的相平面图分析 (325) 9.2.4 非线性系统的相平面图分析 (326) 9.2.5 非线性控制系统的分区线性化法 (329) 9.2.6 利用非线性特性改进控制系统的动态性能 (334) 9.3 描述函数法 (337) 9.3.1 描述函数与谐波线性化 (337) 9.3.2 典型非线性特性的描述函数 (339) 9.3.3 非线性环节的串联与并联 (343) 9.3.4 非线性控制系统的描述函数分析方法 (344) 9.3.5 综合问题举例 (346) 9.4 利用MATLAB分析非线性控制系统 (347) 9.4.1 绘制非线性控制系统的相轨迹和相平面图 (347) 9.4.2 判定稳定性及自持振荡 (352) 9.5 小结 (354) 习题 (354) 附表A (359) 参考文献 (363)

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