自动控制原理（第2版）.pdf

普通高等教育“十二五”规划教材 电气工程、自动化专业规划教材 自动控制原理（第 2 版）李红星 张益农 主编 李 平 李 媛 钱琳琳 参编 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING II内 容 简 介 本书系统地介绍了经典控制理论的基本概念、基本原理和基本方法，从控制理论的基础知识入手，结合生产和生活中的实例，较深入地介绍了建立自动控制系统在时域和频域中的数学模型、方块图、信号流图及简化方法；围绕自动控制系统的稳定性、稳态性和动态性，详细介绍了用于分析和设计系统的时域法、根轨迹法和频域法，离散系统的稳定性、稳态性能和动态性能的分析方法和数字控制器的设计方法，并对非线性控制系统的描述函数法和相平面法做了介绍。书中引入了MATLAB的应用，详细介绍了采用MATLAB进行控制系统的分析与设计的仿真方法，通过大量的仿真实例，可以帮助读者更好地理解系统分析与设计的基本思路和方法。本书基本概念清晰，理论联系实际，注重内容的实用性和物理背景，增加有工程应用背景的典型例题分析，可读性强，便于自主学习，可作为高等学校自动化专业的必修课教材、电子信息类和电气工程类专业的平台课程教材，也可供相关领域专业技术人员参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 自动控制原理/李红星，张益农主编.2 版.北京：电子工业出版社，2014.7 电气工程、自动化专业规划教材 ISBN 978-7-121-23763-8.自 .李 张 .自动控制理论高等学校教材 .TP13 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2014）第 149248 号 策划编辑：王志宇 责任编辑：王志宇 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：20.25 字数：517 千字 版 次：2011 年 7 月第 1 版 2014 年 7 月第 2 版 印 次：2014 年 7 月第 1 次印刷 印 数：3 000 册 定价：39.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。III 序 自动控制原理是 20 世纪 40 年代发展起来的一门学科理论，在国民经济和国防领域中有着广泛的应用。特别是近些年来，随着计算机技术和网络技术的发展，给这门经典的学科理论注入了新的活力，使其应用进程又有了长足的发展。自动控制原理是自动化科学与技术的理论基础，是自动化专业一门必修的基础理论课程，也是一门重要的先导课程。李红星教授在 20 多年教学实践的基础上，针对应用型工科院校的特点，以学以致用为目的，编写了这本教材。旨在为应用型自动化专业及其他相近专业的学生提供学习自动控制原理的教材，促进应用型自动化技术人才的培养。作者在编写这本教材的过程中，特别强调理论与实际的结合，尽量淡化繁冗的理论推导，将枯燥的理论与生动的实例结合起来，注重基本概念和基本方法的论述，力求深入浅出。在保证知识结构系统性和完整性的前提下，突出实用性、基础性，强调核心知识，注意培养学生的知识运用能力。利用反馈原理，以偏差消除误差是自动控制原理的核心思想。作者以这个思想为纲，构建了本教材的大框架，将核心知识分成若干知识单元，包括控制系统的基本概念、控制系统的数学描述、线性控制系统的时域分析、线性控制系统的频域分析、线性控制系统的根轨迹分析、线性控制系统的校正设计、线性离散系统分析和非线性系统分析等。全书涵盖的知识点有：控制系统的定义，反馈原理，控制系统组成，控制系统的分类，开环与闭环控制方式，控制系统的主要性能指标（稳定性、稳态性、动态性），控制系统典型的输入信号；典型控制系统的微分方程模型及建模与求解，系统线性化方法，传递函数的概念与性质，典型环节的传递函数，开环与闭环传递函数，传递函数的极点和零点，控制系统方块图模型表示与信号流图；控制系统的响应与时域性能指标，一阶和二阶及高阶控制系统的性能分析，控制系统稳定性分析及稳定性判据，稳态误差概念与求取，减小或消除稳态误差的方法，频率特性概念与几何描述，典型环节的奈奎斯特图及其绘制，典型环节的伯德图及其绘制，基于奈奎斯特图和伯德图的稳定性分析与判据，稳定性裕量的概念与计算，控制系统的闭环频率特性及性能分析，频域性能指标与时域指标的关系，根轨迹概念及其绘制，幅值条件和幅角条件，基于根轨迹的系统性能分析，控制系统的校正概念与方式，超前校正、滞后校正、滞后-超前校正、反馈校正及其对控制系统性能的影响，PID 控制概念及作用机理；离散控制系统概念及典型结构，采样器、保持器与采样定理，z变换及性质，脉冲传递函数，离散控制系统的稳定性分析与判据，离散控制系统的动态与稳态性能分析，非线性系统概念及特点，典型非线性环节，描述函数与相平面法，非线性系统校正等。相关知识点还辅以 MATLAB 例题解释，以加深对知识点的理解。在教材的编写方法上，作者潜心做到将“抽象问题具体化，数学问题工程化”，以减少数学对应用型专业学生可能造成的困扰。因此，在引出控制系统的基本概念、论述控制系统的基本知识和基本方法时，多以生产或生活的实例为基点，结合物理概念和应用背景，使深奥的控制理论知识显得不那么难。比如，第 1 章就以常见的水箱系统、冰箱制冷过程和饮水机温度控制等为例，论述自动控制系统的组成和工作原理，非常有利于对控制概念的接受，而且形象易懂。有意思的是，在本书的其他章节，你还会发现生活中的许多常见例子被作者 I用来解释控制的基本原理、控制系统的结构和控制方法等，使读者能更好地掌握控制理论的内涵，更容易理解控制理论与工程应用之间的关系，更有利于培养学生的思考能力与解决问题的能力。本教材内容的组织由浅入深、循序渐进、重点突出、强调工程应用，通过大量的实例将各章节的内容有机地联系在一起。教材可读性强，便于自主学习；各章节又相对独立，利于教学的取舍。本教材定位明确，在已出版的众多自动控制原理教材中拥有自己应有的价值，对应用型自动化专业的控制理论教学具有积极的作用。希望应用型自动化专业的学生能静下心来走进这本教材，从中挖掘自己想要的控制理论知识；也希望作者在教学实践中进一步完善教材的知识体系，更加丰富工程应用实例，以适应应用型自动化专业的教学需要。萧德云 清华大学自动化系教授 第 2 版前言 随着我国经济建设和高新技术的快速发展，市场对自动化技术应用型人才的需求量很大，为自动化学科的高速、可持续发展提供了广阔的空间，同时对高校的人才培养提出了更高的要求。自动控制原理是高等工科院校自动化类专业和电子信息类专业的一门重要技术基础课程，它将抽象的数学、力学、电学等理论知识用于实际系统，如工业生产自动化、军事装备自动化、楼宇控制自动化等各个领域。这些自动控制的应用，对人员而言，可以改善劳动者的劳动条件；对企业而言，可以提高企业的经济效益；对国家而言，可以提高国家的综合国力。在许多人们无法接近的场合，自动控制将是唯一的技术手段。本书的第 1 版是为了培养自动化专业高素质应用型人才，满足社会的大量需求，按照“理论联系实际，学以致用”的原则，总结了作者多年培养应用型本科生教学经验和教学改革的成果、关注国内外自动控制理论的发展、参考了控制理论的工程实践应用，经教学团队反复研讨编写而成的。经过几轮的教学使用，根据读者的反馈意见，结合教学中的实际问题，为了更好地服务于高素质应用型人才培养，对本书进行了全面修订。本书全面地介绍了经典控制理论，主要内容包括控制系统的基本概念；控制系统的传递函数、方块图、信号流图；线性定常系统的时域分析法、根轨迹法、频域法；线性定常系统的校正方法；离散系统的稳定性、动态和稳态性能分析，数字控制器设计方法；非线性控制系统的相平面法和描述函数法；考虑到工程实际应用，介绍了工程中常用的 PID 控制器，通过实例阐述了 PID 控制器的设计方法，利用 MATLAB 进行控制系统的分析与设计的仿真方法。这次修订中，保留了原书的特色，在加强基本概念、基本理论和基本方法的基础上，注重控制系统的分析和设计方法的工程实用性，强调控制对象的物理背景及物理概念，使读者充分理解系统参数与性能指标之间的内在联系，理论计算与工程求解之间的内在联系，更好地将理论知识应用于工程系统，由浅入深地引导读者理解和掌握经典控制理论的精髓。新编写和增补的内容有：控制系统分类中的定常系统和时变系统；二阶系统动态性能改善方法的部分内容；利用模型降价（主导极点、偶极子）方法分析高级系统的时域响应；减小稳态误差的措施和方法，并增加了实例分析；延时系统的根轨迹，并增加了根轨迹的实例分析；开环频率特性和系统性能的关系；M圆、N圆及求取闭环频率特性；尼柯尔斯图；利用 MATLAB 进行控制系统设计，增加了有工程应用背景的典型例题分析；离散系统的数字控制器设计，增加了非线性系统的实例分析，部分结构优化调整；精选了各章习题，并分为基本部分（前半部分）和提高部分（后半部分）。本书力求由浅入深、循序渐进、突出重点、增强可读性、便于自主学习，各部分内容具有相对独立性，可根据教学需求进行组合。适合作为高等学校自动化专业的必修课教材、电子信息类和电气工程类专业的平台课程教材，也可供相关领域专业技术人员参考。读者可登录华信教育资源网（ht：/）免费注册下载本书配套教学资源。本书由李红星和张益农主编。全书共分 8 章，第 1、5、6 章由李红星编写，第 3 章和第 I7 章的部分内容由张益农编写，第 4、8 章由李平编写，第 2 章由李媛编写，第 7 章的其他部分内容由钱琳琳编写。全书由李红星统稿审定。在编写过程中，牛瑞燕、李秀丽和任俊杰做了许多工作，同时参考了一些专家、学者的著作，在此谨向他们表示衷心的感谢。由于编者水平有限，书中难免存在不妥之处和错误，恳请读者批评指正。编 者 2014 年 6 月 目 录 第第 1 章章 自动控制的基本概念自动控制的基本概念 1 1.1 引言 1 1.2 开环控制系统与闭环控制系统 2 1.2.1 开环控制系统 2 1.2.2 闭环控制系统 3 1.2.3 闭环控制系统的组成 4 1.3 自动控制系统的分类 5 1.3.1 按输入信号形式分类 5 1.3.2 按系统中信号传递的性质分类 5 1.3.3 按系统的输入/输出特性分类 6 1.3.4 按系统中参数的时间特性分类 6 1.4 控制系统举例 7 1.4.1 蒸汽机转速控制系统 7 1.4.2 温度控制系统 8 1.4.3 位置随动系统 8 1.4.4 电冰箱制冷系统 9 1.5 对自动控制系统的基本要求 9 小结 10 习题 11 第第 2 章章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型 14 2.1 引言 14 2.1.1 系统数学模型的定义及特点 14 2.1.2 系统数学模型的类型和建模方法 14 2.2 建立系统的时域数学模型 15 2.2.1 电路系统举例 15 2.2.2 机械力学系统举例 16 2.2.3 机电系统举例 17 2.2.4 流体系统的建模 19 2.2.5 复杂系统举例 19 2.2.6 微分方程建立步骤 21 2.3 非线性系统的线性化 21 2.3.1 小偏差线性化概念 22 2.3.2 线性化方法 22 2.4 微分方程求解 24 III2.5 建立系统的复域数学模型 25 2.5.1 传递函数的定义 25 2.5.2 传递函数的性质 27 2.5.3 零点、极点和传递系数 27 2.6 系统的典型环节及传递函数 28 2.6.1 比例环节 28 2.6.2 惯性环节 29 2.6.3 积分环节 30 2.6.4 微分环节 31 2.6.5 振荡环节 31 2.6.6 延时环节 31 2.7 系统方块图 32 2.7.1 方块图的定义 32 2.7.2 方块图的组成和绘制 3