基本信息
编辑推荐
《自动控制原理及应用（第3版）》是“十二五”普通高等教育本科*规划教材
内容简介
本书是根据教育部高等学校仪器科学与技术教学指导委员会制定的专业教学规范的要求，在汲取国内外同类教材的优点,结合编者多年的教学实践基础上编写的。
本书主要包括经典控制理论和部分现代控制理论。经典控制理论以线性定常连续控制系统为主线,在阐述反馈控制基本原理与概念的基础上,着重介绍线性控制系统运动方程的建立方法,系统介绍连续控制系统的时域和频域分析方法，分别介绍了闭环控制系统的稳定性分析、误差分析以及综合校正方法。举例说明如何运用专业基础理论和专业知识分析、研究和设计自动控制系统中复杂工程问题的解决方案。现代控制理论基础部分是在阐述状态空间法的基本概念的基础上，系统介绍了系统状态空间模型的建立与求解方法、能控性和能观性定义及判据,扼要介绍状态空间设计方法。
本书在编写中致力于以下两方面：在结构安排上,充分考虑控制理论体系的发展形成特点及其认识规律,既注重遵循传统模式，又注意经典与现代控制理论的适当融合；在内容处理上,既注重基本概念、基本方法的阐述，力求概念清楚、思路清晰、循序渐进，又注意理论与实际相结合，力求联系工程应用背景，深入浅出，并精选典型例题与习题,以便于自学。
本书主要包括经典控制理论和部分现代控制理论。经典控制理论以线性定常连续控制系统为主线,在阐述反馈控制基本原理与概念的基础上,着重介绍线性控制系统运动方程的建立方法,系统介绍连续控制系统的时域和频域分析方法，分别介绍了闭环控制系统的稳定性分析、误差分析以及综合校正方法。举例说明如何运用专业基础理论和专业知识分析、研究和设计自动控制系统中复杂工程问题的解决方案。现代控制理论基础部分是在阐述状态空间法的基本概念的基础上，系统介绍了系统状态空间模型的建立与求解方法、能控性和能观性定义及判据,扼要介绍状态空间设计方法。
本书在编写中致力于以下两方面：在结构安排上,充分考虑控制理论体系的发展形成特点及其认识规律,既注重遵循传统模式，又注意经典与现代控制理论的适当融合；在内容处理上,既注重基本概念、基本方法的阐述，力求概念清楚、思路清晰、循序渐进，又注意理论与实际相结合，力求联系工程应用背景，深入浅出，并精选典型例题与习题,以便于自学。
目录
第1章绪论
1.1自动控制的发展概述
1.2控制系统工作原理
1.3自动控制系统的类型
1.3.1开环控制系统和闭环控制系统
1.3.2定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统
1.3.3连续控制系统和离散控制系统
1.3.4线性控制系统和非线性控制系统
1.3.5单变量控制系统和多变量控制系统
1.4小结
1.1自动控制的发展概述
1.2控制系统工作原理
1.3自动控制系统的类型
1.3.1开环控制系统和闭环控制系统
1.3.2定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统
1.3.3连续控制系统和离散控制系统
1.3.4线性控制系统和非线性控制系统
1.3.5单变量控制系统和多变量控制系统
1.4小结
前言
本书是根据教育部高等学校仪器科学与技术教学指导委员会制定的专业教学规范的要求，在汲取国内外同类教材的优点,结合编者多年的教学实践基础上编写的。
本书主要包括经典控制理论和部分现代控制理论。经典控制理论以线性定常连续控制系统为主线,在阐述反馈控制基本原理与概念的基础上,着重介绍线性控制系统运动方程的建立方法,系统介绍连续控制系统的时域和频域分析方法，分别介绍了闭环控制系统的稳定性分析、误差分析以及综合校正方法。举例说明如何运用专业基础理论和专业知识分析、研究和设计自动控制系统中复杂工程问题的解决方案。现代控制理论基础部分是在阐述状态空间法的基本概念的基础上，系统介绍了系统状态空间模型的建立与求解方法、能控性和能观性定义及判据,扼要介绍状态空间设计方法。
本书在编写中致力于以下两方面：
在结构安排上,充分考虑控制理论体系的发展形成特点及其认识规律,既注重遵循传统模式，又注意经典与现代控制理论的适当融合；
在内容处理上,既注重基本概念、基本方法的阐述，力求概念清楚、思路清晰、循序渐进，又注意理论与实际相结合，力求联系工程应用背景，深入浅出，并精选典型例题与习题,以便于自学。
本书由陈祥光教授、孙玉梅教授、吴磊博士、孙巧妍副教授、黄聪明教授编写。全书共7章，其中陈祥光、孙玉梅、吴磊编写第1~6章，孙巧妍和黄聪明编写第7章。在本书的内容策划与撰写过程中，清华大学丁天怀教授、国防科技大学张玘教授等给予了热情的支持与帮助，并提出了许多宝贵的意见，在此表示衷心的感谢。
在本书的编写过程中,清华大学出版社、北京理工大学、烟台南山学院给予了大力支持和帮助,在此深表谢意。
限于作者水平,书中难免存在问题和不足之处，恳请广大读者批评指正。
编者
2017年9月于北京
本书主要包括经典控制理论和部分现代控制理论。经典控制理论以线性定常连续控制系统为主线,在阐述反馈控制基本原理与概念的基础上,着重介绍线性控制系统运动方程的建立方法,系统介绍连续控制系统的时域和频域分析方法，分别介绍了闭环控制系统的稳定性分析、误差分析以及综合校正方法。举例说明如何运用专业基础理论和专业知识分析、研究和设计自动控制系统中复杂工程问题的解决方案。现代控制理论基础部分是在阐述状态空间法的基本概念的基础上，系统介绍了系统状态空间模型的建立与求解方法、能控性和能观性定义及判据,扼要介绍状态空间设计方法。
本书在编写中致力于以下两方面：
在结构安排上,充分考虑控制理论体系的发展形成特点及其认识规律,既注重遵循传统模式，又注意经典与现代控制理论的适当融合；
在内容处理上,既注重基本概念、基本方法的阐述，力求概念清楚、思路清晰、循序渐进，又注意理论与实际相结合，力求联系工程应用背景，深入浅出，并精选典型例题与习题,以便于自学。
本书由陈祥光教授、孙玉梅教授、吴磊博士、孙巧妍副教授、黄聪明教授编写。全书共7章，其中陈祥光、孙玉梅、吴磊编写第1~6章，孙巧妍和黄聪明编写第7章。在本书的内容策划与撰写过程中，清华大学丁天怀教授、国防科技大学张玘教授等给予了热情的支持与帮助，并提出了许多宝贵的意见，在此表示衷心的感谢。
在本书的编写过程中,清华大学出版社、北京理工大学、烟台南山学院给予了大力支持和帮助,在此深表谢意。
限于作者水平,书中难免存在问题和不足之处，恳请广大读者批评指正。
编者
2017年9月于北京
书摘
第3章连续控制系统的时域和频域分析方法
3.1引言
在分析和设计控制系统的过程中，首要工作是要了解控制系统各环节的动态特性和静态特性，即建立系统各环节的数学模型，然后采用多种方法分析控制系统的动态性能和稳态性能，并在此基础上对系统进行综合设计和校正。
对于大多数控制系统，人们关心的是，当系统输入参数(给定作用或干扰作用)变化后，系统输出参数(被控制变量)随时间变化的特性即时间响应特性是否满足设计要求。控制系统的时间响应通常分为两部分，即瞬态响应和稳态响应。所谓瞬态响应，是指系统输出参数从初始平衡状态变化到新的平衡状态的过渡过程； 稳态响应则是指时间t→
∞时系统的输出状态。因此，时间响应y(t)
可表示为
y(t)=yt(t)+ys(t)(31)
式中，yt(t)为瞬态响应； ys(t)=lim t→∞y(t)为稳态响应。
由于瞬态响应是系统动态特性的一个重要部分，所以在到达稳态之前，必须观察或检测输出参数的瞬态变化是否满足设计规定的性能指标要求。稳态响应同样十分重要，因为当把稳态响应与给定输入作用相比较时，可得知系统的控制精度是否符合设计规定。若输出的稳态响应与输入稳态值不完全一致，则系统是有静态误差的。
时域分析法就是通过研究控制系统对一个特定输入信号的时间响应来评价系统性能的方法。这种方法所采用的手段是直接求解描述系统特性的微分方程或状态方程，因此对低阶系统是一种比较准确的分析方法。由于许多高阶系统的时间响应常可近似为一个二阶系统的时间响应，因而时域分析法对研究高阶系统的性能也具有重要意义。
对于一个二阶系统，求解特征方程式的根并不困难，但对三阶以上的高阶控制系统，基于手工求解特征方程式的根通常不是一件容易的事情。特别是在研究系统中某个参数的变化对系统动态性能的影响时，需要进行很复杂的计算。
伊文思于1948年首先提出了一种求解系统特征方程式根的简便图解法，称为根轨迹法，在过程控制中获得广泛应用。所谓根轨迹是指系统某一参数从零变化到无穷大时，闭环系统特征根在复平面上的相应轨迹。在根轨迹中主要研究的是以系统开环增益为参变量的根轨迹，之后又推广到随其他参数变化的广义根轨迹。根轨迹法包括两个部分： 首先是求取或绘制根轨迹，其次是利用根轨迹图进行分析和设计。本章将介绍已知开环传递函数的极点和零点如何绘制根轨迹图的方法，以及调整开环传递函数的极点和零点使闭环传递函数的极点符合规定的性能指标的途径。
频率特性法(或频率法)是系统对正弦输入信号的稳态响应，它是以频率特性或频率响应为基础对系统进行分析研究的方法。这种方法具有如下显著特点。
(1) 频率特性具有明确的物理意义。许多系统和环节的频率特性都可以用实验的方法测定，这对于机理复杂或机理不明确而难以列写动态方程的系统和环节是很有实际意义的。
(2) 可以采用较为简单的图解分析法，使高阶系统的分析和设计工作大大简化。
(3) 可以从系统的开环频率特性判断闭环系统的性能，并能根据时域和频域性能指标之间的关系，分析系统参数对系统过渡过程性能指标的影响，从而进一步指出改善系统工作性能的途径。
(4) 在任何一种系统中总是存在着影响系统整个性能的噪声，应用频率特性法，可以设计出能够抑制这些噪声的系统。
(5) 频率特性法不仅适用于线性单输入单输出系统，还可以应用于多输入多输出系统，也可以有条件地推广应用到某些非线性控制系统。
本章着重讲述连续控制系统的时域分析法、连续控制系统的根轨迹分析法以及连续控制系统的频域分析法，最后介绍如何应用MATLAB工具进行控制系统的时域和频域分析。
3.1引言
在分析和设计控制系统的过程中，首要工作是要了解控制系统各环节的动态特性和静态特性，即建立系统各环节的数学模型，然后采用多种方法分析控制系统的动态性能和稳态性能，并在此基础上对系统进行综合设计和校正。
对于大多数控制系统，人们关心的是，当系统输入参数(给定作用或干扰作用)变化后，系统输出参数(被控制变量)随时间变化的特性即时间响应特性是否满足设计要求。控制系统的时间响应通常分为两部分，即瞬态响应和稳态响应。所谓瞬态响应，是指系统输出参数从初始平衡状态变化到新的平衡状态的过渡过程； 稳态响应则是指时间t→
∞时系统的输出状态。因此，时间响应y(t)
可表示为
y(t)=yt(t)+ys(t)(31)
式中，yt(t)为瞬态响应； ys(t)=lim t→∞y(t)为稳态响应。
由于瞬态响应是系统动态特性的一个重要部分，所以在到达稳态之前，必须观察或检测输出参数的瞬态变化是否满足设计规定的性能指标要求。稳态响应同样十分重要，因为当把稳态响应与给定输入作用相比较时，可得知系统的控制精度是否符合设计规定。若输出的稳态响应与输入稳态值不完全一致，则系统是有静态误差的。
时域分析法就是通过研究控制系统对一个特定输入信号的时间响应来评价系统性能的方法。这种方法所采用的手段是直接求解描述系统特性的微分方程或状态方程，因此对低阶系统是一种比较准确的分析方法。由于许多高阶系统的时间响应常可近似为一个二阶系统的时间响应，因而时域分析法对研究高阶系统的性能也具有重要意义。
对于一个二阶系统，求解特征方程式的根并不困难，但对三阶以上的高阶控制系统，基于手工求解特征方程式的根通常不是一件容易的事情。特别是在研究系统中某个参数的变化对系统动态性能的影响时，需要进行很复杂的计算。
伊文思于1948年首先提出了一种求解系统特征方程式根的简便图解法，称为根轨迹法，在过程控制中获得广泛应用。所谓根轨迹是指系统某一参数从零变化到无穷大时，闭环系统特征根在复平面上的相应轨迹。在根轨迹中主要研究的是以系统开环增益为参变量的根轨迹，之后又推广到随其他参数变化的广义根轨迹。根轨迹法包括两个部分： 首先是求取或绘制根轨迹，其次是利用根轨迹图进行分析和设计。本章将介绍已知开环传递函数的极点和零点如何绘制根轨迹图的方法，以及调整开环传递函数的极点和零点使闭环传递函数的极点符合规定的性能指标的途径。
频率特性法(或频率法)是系统对正弦输入信号的稳态响应，它是以频率特性或频率响应为基础对系统进行分析研究的方法。这种方法具有如下显著特点。
(1) 频率特性具有明确的物理意义。许多系统和环节的频率特性都可以用实验的方法测定，这对于机理复杂或机理不明确而难以列写动态方程的系统和环节是很有实际意义的。
(2) 可以采用较为简单的图解分析法，使高阶系统的分析和设计工作大大简化。
(3) 可以从系统的开环频率特性判断闭环系统的性能，并能根据时域和频域性能指标之间的关系，分析系统参数对系统过渡过程性能指标的影响，从而进一步指出改善系统工作性能的途径。
(4) 在任何一种系统中总是存在着影响系统整个性能的噪声，应用频率特性法，可以设计出能够抑制这些噪声的系统。
(5) 频率特性法不仅适用于线性单输入单输出系统，还可以应用于多输入多输出系统，也可以有条件地推广应用到某些非线性控制系统。
本章着重讲述连续控制系统的时域分析法、连续控制系统的根轨迹分析法以及连续控制系统的频域分析法，最后介绍如何应用MATLAB工具进行控制系统的时域和频域分析。
