自动控制原理 by 朱永甫 宋丽琴.pdf

普通高等教育土木类“十三五”规划教材 自动控制原理 朱永甫 宋丽琴 主 编 黄绳正 副主编 王凤华 严俐婉 参 编 内 容 简 介 本书是依据应用型本科院校自动控制原理课程教学要求编写的。本书覆盖了经典控制理论的基本内容，重点对线性定常系统的时域分析法、根轨迹法和频域分析法作了全面的阐述，结合工程实际引入了 MATLAB 运行环境及其编程内容。本书内容包括自动控制系统的基本概念、控制系统的数学模型、控制系统的时域分析法、控制系统的根轨迹法、控制系统的频域分析法、控制系统的分析与校正、MATLAB 语言及其应用、控制系统的实例分析等。本书精选了大量有关建筑环境、建筑设备、建筑电气、建筑给排水等控制系统的实例，自成体系，内容精练，重点突出，适用性强，充分结合工程案例进行理论讲解、分析。书中大量例子都使用 MATLAB 实现，实用性强。书后还附有常用函数的拉普拉斯变换对照表、常用函数的 Z 变换表、控制系统中英文对照表和控制系统 MATLAB 常用函数。本书可作为工科院校土木工程类、建筑环境与能源应用工程类、给排水科学与工程类、电气工程类、自动化设计类各专业的本科和非控制类硕士研究生的教材，也可作为机电类、机械工程类、计算机应用工程等相近专业的本科生学习控制系统原理的教材和参考书，还可供有关从事控制工程应用的技术人员参考。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/朱永甫，宋丽琴主编.北京：电子工业出版社，2018.2 普通高等教育土木类“十三五”规划教材 ISBN 978-7-121-32755-1.自 .朱宋 .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(2017)第 232219 号 责任编辑：郭穗娟 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：15.75 字数：375 千字 版 次：2018 年 2 月第 1 版 印 次：2018 年 2 月第 1 次印刷 定 价：49.80 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）88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：（010）88254502，。北京市李史山胶印厂 前 言 根据教育部、国家发展改革委、财政部关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见（教发【2015】7 号）、教育部关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见和教育部关于以就业为导向深化高等职业教育改革的若干意见的精神，按照普通本科高校向应用型转变的人才培养目标及教育特点，结合编者多年从事教学的经验编写而成。其编写特点是以必要和够用为准则，强化应用为重点。书中简化了对一些理论的推导与证明，对实际控制工程设计较实用的内容列举了较多的例题，系统讲述了自动控制原理中经典控制理论部分的基本知识和基本设计技能，把 MATLAB 编程适时引入并穿插到各个章节，从而避免学习控制理论过程中的抽象空洞。全书共 8 章，主要内容包括自动控制系统的基本概念、控制系统的数学模型、控制系统的时域分析法、控制系统的根轨迹法、控制系统的频域分析法、控制系统的分析与校正、离散控制系统、MATLAB 语言及其仿真实验。本书自成体系，内容精练，重点突出，适用性强，重在基础理论的内容讲解、案例分析与计算。本书的特点是结合建筑环境与能源应用工程、建筑给排水工程与科学、建筑电气与智能化等专业特征，结合具体工程设计案例进行全面、系统的介绍，尽量简化理论推导，注重实用性和可操作性。每章开头提炼了学习要求和重点掌握的内容，章后附有总结和注意事项；书中例子都使用 MATLAB 进行解题、分析，实用性、应用性强。全书由朱永甫、宋丽琴担任主编，黄绳正担任副主编，王凤华、严俐婉参编。集美大学李栋、闽南理工学院李伙穆教授担任主审，他们在审核过程中提出了很多宝贵的建设性意见，主编在统稿时均予以采纳。本书第 1、3、4 章由闽南理工学院宋丽琴助理研究员编写，第 2 章和附录由闽南理工学院黄绳正助理研究员编写，第 58 章由闽南理工学院朱永甫副教授编写，全书图表由朱永甫、宋丽琴绘制，全书源程序由朱永甫副教授编制，闽南理工学院王凤华、严俐婉、王利、王伟参与了全书的校对。因编者水平有限，文中不足之处敬请指正。编 者 2017 年 10 月 目 录 第 1 章 自动控制系统的基本概念 1 1.1 控制系统的基本形式 2 1.1.1 人工控制 2 1.1.2 自动控制 2 1.2 自动控制系统的组成 3 1.2.1 系统框图 3 1.2.2 典型反馈控制系统 4 1.3 自动控制系统的分类 5 1.3.1 按控制系统的结构分类 5 1.3.2 按给定信号的类型分类 6 1.3.3 按系统参数是否随时间 变化分类 6 1.3.4 按控制系统的动态特性分类 6 1.3.5 按信号传递的连续性分类 7 1.4 控制系统的基本要求 7 1.4.1 稳定性 8 1.4.2 动态特性 8 1.4.3 稳态特性 8 习题 9 第 2 章 控制系统的数学模型 10 2.1 拉普拉斯变换 11 2.1.1 拉普拉斯变换定义 11 2.1.2 拉普拉斯变换基本性质 12 2.1.3 拉普拉斯反变换 15 2.2 控制系统的微分方程 17 2.2.1 机械系统 17 2.2.2 电路系统 19 2.2.3 机电系统 19 2.3 传递函数 20 2.3.1 传递函数定义 20 2.3.2 传递函数性质 21 2.4 典型环节的传递函数 22 2.4.1 比例环节 22 2.4.2 积分环节 23 2.4.3 微分环节 24 2.4.4 惯性环节 25 2.4.5 振荡环节 25 2.4.6 延迟环节 25 2.5 控制系统的结构图 26 2.5.1 结构图组成要素及绘制方法 27 2.5.2 结构图的等效变换 28 2.6 信号流程图与梅逊公式 34 2.6.1 常用术语及其定义 35 2.6.2 信号流程图绘制方法 35 2.6.3 梅逊增益公式 37 2.6.4 用梅逊公式求传递函数 38 2.7 控制系统的传递函数 38 2.7.1 前向通路传递函数 39 2.7.2 开环传递函数 39 2.7.3 闭环传递函数 39 2.8 传递函数的 MATLAB 描述 42 2.8.1 有理函数模型 42 2.8.2 零极点模型 42 2.8.3 系统模型的连接和简化 43 2.8.4 有理分式模型与零极点模型的 转换 44 习题 45 第 3 章 控制系统的时域分析法 50 3.1 典型输入信号及时域性能指标 51 3.1.1 典型输入信号 51 3.1.2 时域性能指标 53 3.2 一阶系统的时域分析 54 3.2.1 一阶系统的单位阶跃响应 55 VI自动控制原理 3.2.2 一阶系统的单位斜坡响应 56 3.2.3 一阶系统的单位脉冲响应 58 3.2.4 一阶系统的单位加速度响应 59 3.3 二阶系统的时域分析 60 3.3.1 典型的二阶系统模型 60 3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应 60 3.3.3 二阶系统的瞬态响应指标 63 3.3.4 高阶系统的瞬态响应 67 3.4 控制系统的稳定性分析 67 3.4.1 稳定性的基本概念 67 3.4.2 线性系统稳定的充要条件 68 3.4.3 劳斯稳定性判据 69 3.4.4 MATLAB 稳定性判断方法 71 3.5 稳态误差分析及计算 72 3.5.1 误差及稳态误差的定义 72 3.5.2 给定输入作用下的稳态误差 计算 73 3.5.3 扰动作用下的稳态误差计算 77 3.5.4 给定输入、扰动共同作用下的 稳态误差计算 78 3.5.5 减小稳态误差的方法及 复合控制 81 习题 83 第 4 章 控制系统的根轨迹法 86 4.1 根轨迹的基本概念 87 4.1.1 系统的根轨迹 87 4.1.2 根轨迹的幅值条件和相角 条件 88 4.2 绘制根轨迹的基本规则 89 4.2.1 基本规则 89 4.2.2 根轨迹绘制举例 95 4.3 参量根轨迹及系统性能的 根轨迹分析 100 4.3.1 参量根轨迹 100 4.3.2 系统性能的根轨迹分析 101 习题 104 第 5 章 控制系统的频域分析法 106 5.1 频率特性的基本知识 107 5.1.1 频率特性的物理概念 107 5.1.2 频率特性的定义 107 5.2 频率特性的图示 110 5.2.1 奈奎斯特图 110 5.2.2 伯德图 111 5.2.3 尼柯尔斯图 112 5.3 典型环节的频率特性 112 5.3.1 比例环节的频率特性 113 5.3.2 积分环节的频率特性 114 5.3.3 惯性环节的频率特性 115 5.3.4 振荡环节的频率特性 117 5.3.5 微分环节的频率特性 119 5.3.6 延迟环节的频率特性 120 5.4 开环系统频率特性图绘制 122 5.4.1 开环系统伯德图的绘制 122 5.4.2 最小相位系统和非最小 相位系统 126 5.5 频率域稳定性分析 127 5.5.1 奈奎斯特稳定性判据 128 5.5.2 控制系统的稳定裕量 138 5.6 开环频域指标与时域指标 之间的关系 141 5.6.1 控制系统的主要性能指标 141 5.6.2 开环频域指标与时域指标 之间的关系 141 5.7 MATLAB 频域分析 145 5.7.1 线性系统的频域分析 145 5.7.2 频域分析性能指标 146 习题 150 第 6 章 控制系统的分析与校正 152 6.1 控制系统校正 153 6.1.1 校正的基本概念 153 6.1.2 校正的基本方式 153 VII目 录 6.1.3 系统校正的方法 153 6.2 串联超前校正 154 6.2.1 相位超前校正装置 154 6.2.2 相位超前校正装置的作用 156 6.2.3 校正方法 158 6.3 串联滞后校正 159 6.3.1 相位滞后校正装置 159 6.3.2 相位滞后校正装置的作用 161 6.3.3 校正方法 162 6.4 串联滞后-超前校正 163 6.4.1 相位滞后-超前校正装置 163 6.4.2 相位滞后-超前校正装置的 作用 164 6.4.3 校正方法 165 6.5 PID 校正 166 6.5.1 比例积分（PI）控制器 167 6.5.2 比例微分（PD）控制器 168 6.5.3 比例积分微分（PID）控制器 169 习题 169 第 7 章 离散控制系统 170 7.1 引言 171 7.2 采样系统 171 7.3 Z 变换 173 7.3.1 Z 变换 173 7.3.2 Z 变换的基本定理 174 7.3.3 Z 反变换 176 7.4 脉冲传递函数 179 7.4.1 脉冲传递函数定义 179 7.4.2 串联环节的脉冲传递函数 180 7.5 线性离散系统的脉冲传递 函数 182 7.6 线性离散系统的稳定性 185 7.6.1 S 平面到 Z 平面的映射关系 185 7.6.2 线性离散系统稳定的充要 条件 186 7.6.3 劳斯稳定判据 187 7.7 线性离散系统的时域分析 188 7.7.1 极点在 Z 平面的分布与 瞬态响应 188 7.7.2 线性离散系统的时间响应 190 7.7.3 线性离散系统的稳态误差 191 习题 192 第 8 章 MATLAB 语言及其仿真实验 195 8.1 MATLAB 语言简介 196 8.1.1 MATLAB 的应用基础 196 8.1.2 MATLAB 函数 197 8.1.3 绘制响应曲线 198 8.1.4 MATLAB 语言的联机 帮助功能 200 8.2 MATLAB 语言基础实验 200 实验一 MA