自动控制原理(附光盘) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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吴怀宇，廖家平 著

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出版社： 华中科技大学出版社

ISBN：9787560941646

商品编码：29716399969

包装：平装

出版时间：2007-09-01

基本信息

书名:自动控制原理(附光盘)

：36.80元

售价：25.0元,便宜11.8元,折扣67

作者:吴怀宇,廖家平

出版社：华中科技大学出版社

出版日期：2007-09-01

ISBN：9787560941646

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版次：1

装帧：平装

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编辑推荐

内容提要

本书是根据国家教育部高等院校电气工程类专业“自动控制原理”课程教学大纲的要求编写的。全书从高等工程教育对人才的培养目标出发，讨论了经典控制理论的基本概念、基本原理和基本方法，着重加强对基本理论及其应用的阐述。全书共8章，内容包括：自动控制与自动控制系统的一般概念；控制系统的数学模型；控制系统的时域分析法、根轨迹法和频率特性法；系统的校正方法；离散控制系统的概念、特点和研究方法。
全书结构合理，层次分明，系统、完整地反映了控制理论的发展，重要内容的分析、推证都比较详细。在每章的后，引入了用Matlah进行控制理论相关问题和方法的计算机仿真分析、计算和绘图。本书还附有教学光盘供课堂教学和自学使用。本书可作为自动化专业、电气工程及其自动化专业、测控技术与仪器专业及其相关专业的本科生及研究生教材，也可供从事控制理论与控制工程研究、设计和应用的科技工作者参考使用。

目录

1 绪论
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.2 自动控制系统的基本概念
1.3 自动控制系统的基本构成
1.4 自动控制系统的分类
1.5　对自动控制系统的基本要求
1.6　教学内容与要求
本章小结
习题
2　控制系统的数学模型
2.1　线性系统的微分方程
2.2　非线性系统的线性化
2.3　传递函数
2.4　方框图及其变换
2.5　信号流图及其应用
2.6　控制系统的典型传递函数
2.7　用Matlab处理系统数学模型
本章小结
习题
3　控制系统的时域分析
3.1　典型输入信号
3.2　线性定常系统的时域响应与性能指标
3.3　一阶系统的时域响应
3.4　二阶系统的时域响应
3.5　高阶系统的时域响应
3.6　线性定常系统的稳定性
3.7　系统的稳态误差
3.8　用Matlab和Simulink进行瞬态响应分析
本章小结
习题
4　根轨迹法
4.1　根轨迹法的概念
4.2　根轨迹方程
4.3　常规根轨迹及其绘制
4.4　广义根轨迹及其绘制
4.5　用根轨迹分析控制系统
4.6　用Matlab绘制根轨迹
本章小结
习题
5　控制系统的频域分析
5.1　频率特性的基本概念
5.2　典型环节的频率特性
5.3　系统开环频率特性
5.4　奈奎斯特稳定判据
5.5　控制系统的相对稳定性
5.6　闭环系统频率特性
5.7　频域性能指标与时域性能指标的关系
5.8　用Matlab进行频域分析
本章小结
习题
6　控制系统的校正与设计
6.1　控制系统校正的概念
6.2　基本控制规律分析
6.3　常用校正装置及其特性
……
7　非线性控制系统
8　离散控制系统
参考文献

作者介绍

文摘

序言

《工程控制系统导论》 第一章：引言与基本概念 本章旨在为读者建立对自动控制系统的初步认知，从宏观层面阐述其重要性、应用领域以及基本组成。我们将深入探讨“控制”这一概念的本质，区分其与“开环控制”和“闭环控制”的区别，并理解闭环控制在实现精确、稳定系统性能方面的核心优势。 1.1 什么是自动控制系统？ 定义自动控制系统的核心要素：被控对象、控制器、传感器、执行器。 阐述自动控制系统在现代社会中的广泛应用：从日常家电（如空调、洗衣机）到尖端科技（如航空航天、机器人、工业自动化），无处不在。 分析自动控制系统带来的效益：提高生产效率、提升产品质量、保障人身安全、改善生活品质。 区分“自动”与“手动”控制的界限，强调自动控制系统的智能化和自主性。 1.2 控制系统的基本组成 被控对象 (Plant/Process)： 详细介绍被控对象的概念，例如一个加热炉、一个电机、一个飞行器姿态系统等，以及它们各自的动力学特性。 传感器 (Sensor)： 探讨各种类型传感器的作用，如温度传感器、速度传感器、位置传感器等，以及它们如何将物理量转化为电信号。 控制器 (Controller)： 介绍控制器的核心功能，即根据测量到的反馈信号，与期望值进行比较，并产生控制信号。初步引入比例 (P) 控制、比例-积分 (PI) 控制、比例-积分-微分 (PID) 控制等基本控制策略的原理。 执行器 (Actuator)： 阐释执行器的作用，将控制器的输出信号转化为对被控对象的物理作用，例如电机驱动、阀门开关、加热元件功率调节等。 反馈信号 (Feedback Signal)： 强调反馈信号的重要性，它是闭环控制的核心，使得系统能够实时了解被控对象的运行状态，并进行修正。 1.3 开环控制与闭环控制 开环控制 (Open-Loop Control)： 解释其工作原理：控制器的输出仅取决于输入信号，不考虑被控对象的实际输出。 分析其优点：结构简单、成本低廉。 讨论其缺点：易受外部扰动影响、精度较低、难以适应被控对象参数变化。 举例说明：定时开关的电饭煲、手动调节的流水龙头。 闭环控制 (Closed-Loop Control)，也称反馈控制 (Feedback Control)： 深入阐述其核心机制：通过传感器测量被控对象的输出，将其与期望值（设定值）进行比较，产生误差信号，然后控制器根据误差信号调整其输出，以减小误差。 强调反馈的作用：纠正误差、抑制扰动、补偿系统参数变化。 分析其优点：精度高、稳定性好、抗扰动能力强。 讨论其缺点：结构相对复杂、成本较高、可能存在稳定性问题（需仔细设计）。 举例说明：恒温器控制空调、汽车巡航控制系统、无人机自动飞行系统。 第二章：系统建模与数学描述 本章将引导读者理解如何将实际的物理系统转化为数学模型，这是进行系统分析和设计的基础。我们将介绍几种常用的建模方法，并深入探讨线性时不变 (LTI) 系统在自动控制理论中的核心地位。 2.1 系统建模概述 阐述建模的目的：预测系统行为、设计控制器、进行性能分析。 区分不同类型的模型：物理模型、数学模型、经验模型。 介绍建模的基本步骤：识别系统输入输出、确定系统组件、选择建模方法。 2.2 物理系统建模 机械系统建模： 基于牛顿第二定律，建立质量-弹簧-阻尼系统的动力学方程。 介绍拉格朗日方程在建模复杂机械系统中的应用。 示例：弹簧连接的物体在受力作用下的运动。 电路系统建模： 运用基尔霍夫电压定律 (KVL) 和电流定律 (KCL) 建立RLC电路的微分方程。 引入阻抗的概念，简化交流电路的分析。 示例：RC滤波器、RLC振荡电路。 热力系统建模： 基于能量守恒定律，描述热量传递和温度变化的关系。 考虑热阻、热容等参数。 示例：加热器加热房间的温度模型。 流体系统建模： 基于质量守恒和能量守恒，描述液位、流量等参数的变化。 考虑管道阻力、泵的特性等。 示例：储水罐的液位控制模型。 2.3 传递函数 (Transfer Function) 拉普拉斯变换 (Laplace Transform)： 介绍拉普拉斯变换的定义及其在将时域微分方程转化为频域代数方程中的作用。 列举常用的拉普拉斯变换对和性质。 定义传递函数： 解释传递函数是系统零初始条件下输出的拉普拉斯变换与输入的拉普拉斯变换之比。 强调传递函数是线性时不变系统的核心描述工具。 典型环节的传递函数： 比例环节 (Proportional Element)： $G(s) = K$ 积分环节 (Integral Element)： $G(s) = frac{K}{s}$ 微分环节 (Derivative Element)： $G(s) = Ks$ 惯性环节 (First-Order Inertial Element)： $G(s) = frac{K}{Ts+1}$ 振荡环节 (Second-Order Oscillatory Element)： $G(s) = frac{K}{frac{s^2}{omega_n^2} + frac{2zeta}{omega_n}s + 1}$ 系统串联、并联、反馈连接的传递函数： 推导串联系统、并联系统以及闭环反馈系统的总传递函数。 示例：由多个串联环节组成的系统，以及带有比例控制器和一阶惯性对象的闭环系统。 2.4 状态空间方法 (State-Space Representation) 介绍状态空间法的概念：用一组一阶微分方程描述系统的内部状态。 定义状态向量、输入向量和输出向量。 给出线性时不变系统的标准状态空间方程：$dot{x}(t) = Ax(t) + Bu(t)$ 和 $y(t) = Cx(t) + Du(t)$。 阐述状态空间方法在处理多输入多输出 (MIMO) 系统、时变系统以及进行更深入系统分析（如可控性、可观性）方面的优势。 讨论状态空间模型与传递函数模型之间的转换关系。 第三章：时域分析与性能指标 本章将聚焦于分析自动控制系统在不同输入信号作用下的动态响应特性，并引入一系列量化系统性能的关键指标。 3.1 典型输入信号 单位阶跃信号 (Unit Step Input)： $u(t) = 1(t)$，表示系统突然施加一个恒定输入。 单位斜坡信号 (Unit Ramp Input)： $u(t) = t cdot 1(t)$，表示系统施加一个随时间线性增长的输入。 单位脉冲信号 (Unit Impulse Input)： $delta(t)$，表示系统受到一个短暂的、无限大的输入。 正弦信号 (Sinusoidal Input)： $u(t) = A sin(omega t + phi)$，用于分析系统的频率响应特性。 3.2 稳定性分析 稳定性定义： 阐述在有界输入下，系统的输出也保持有界，即为稳定。反之则不稳定。 自由响应 (Natural Response)： 分析系统在无外输入时，其输出随时间的变化。 极点 (Poles) 与稳定性： 解释传递函数中使分母为零的根被称为极点。 建立极点位置与系统稳定性的关系： 所有极点都在复平面的左半平面（实部为负）：系统稳定。 存在实部为正的极点：系统不稳定。 极点位于虚轴上（实部为零）：临界稳定（或称为稳定但输出会随时间增长）。 劳斯判据 (Routh Criterion)： 介绍劳斯判据作为一种代数方法，用于判断线性时不变系统特征方程根的分布，从而判定系统稳定性，无需计算特征方程的根。 详细讲解劳斯表 (Routh Array) 的构造方法及判据的应用。 3.3 暂态响应分析 (Transient Response Analysis) 一阶系统响应： 分析单位阶跃信号作用下，一阶系统的响应曲线，包括时间常数 ($ au$) 的意义，以及上升时间、调节时间等指标。 演示不同时间常数对系统响应速度的影响。 二阶系统响应： 介绍二阶系统的暂态响应特性，包括阻尼比 ($zeta$) 和自然频率 ($omega_n$) 对响应的影响。 欠阻尼 (Underdamped, $zeta < 1$)： 出现超调，可能存在振荡。 临界阻尼 (Critically Damped, $zeta = 1$)： 最快的无超调响应。 过阻尼 (Overdamped, $zeta > 1$)： 响应速度较慢，无超调。 未定义阻尼 (Undamped, $zeta = 0$)： 持续振荡。 性能指标： 超调量 (Overshoot, $M_p$)： 输出值第一次达到并超过最终稳态值的部分。 峰值时间 (Peak Time, $t_p$)： 输出值第一次达到峰值所需的时间。 调节时间 (Settling Time, $t_s$)： 输出值稳定在最终稳态值某个误差带内所需的时间。 上升时间 (Rise Time, $t_r$)： 输出值从10%（或20%）达到90%（或80%）最终稳态值所需的时间。 稳态误差 (Steady-State Error, $e_{ss}$)： 系统输出稳态值与期望输入值之间的差值。 3.4 稳态误差分析 系统类型 (System Type)： 介绍由系统传递函数中包含积分环节的个数决定的系统类型 (Type 0, Type 1, Type 2)。 静态误差系数： 位置误差系数 ($K_p$)： 速度误差系数 ($K_v$)： 加速度误差系数 ($K_a$)： 稳态误差与系统类型和输入信号的关系： 分析单位阶跃、单位斜坡、单位抛物线输入下，不同系统类型的稳态误差。 例如：Type 0 系统对阶跃输入有有限稳态误差，对斜坡输入有无限稳态误差；Type 1 系统对阶跃输入有零稳态误差，对斜坡输入有有限稳态误差。 第四章：频域分析与系统设计 本章将把视角从时域转移到频域，通过分析系统对不同频率正弦信号的响应，来评估系统的性能并指导控制器设计。 4.1 频率响应 (Frequency Response) 稳态频率响应： 当输入为正弦信号时，线性时不变系统的输出也是同频率的正弦信号，但幅值和相位可能发生改变。 幅频特性 (Amplitude-Frequency Characteristic)： 描述输出信号幅值与输入信号频率的关系。 相频特性 (Phase-Frequency Characteristic)： 描述输出信号相位与输入信号频率的关系。 幅相频率特性曲线： 将幅频和相频特性绘制在同一张图上。 4.2 频率响应的计算 传递函数与频率响应的联系： 将传递函数中的 $s$ 替换为 $jomega$（其中 $j$ 是虚数单位，$omega$ 是角频率），得到复频率响应函数 $G(jomega)$。 幅值和相位的计算： 幅值：$|G(jomega)|$ 相位：$angle G(jomega)$ 4.3 伯德图 (Bode Plot) 定义： 以对数坐标绘制幅频特性（以分贝 dB 为单位）和相频特性（以度°为单位）随频率（以对数刻度）变化的曲线。 直线近似法： 介绍如何通过绘制典型环节在伯德图上的渐近线，快速得到整个系统伯德图的近似图形。 伯德图的应用： 直观评估系统的稳定性（穿越频率、幅值裕度、相位裕度）。 了解系统在高频和低频端的增益衰减情况。 指导控制器参数的整定。 4.4 奈奎斯特图 (Nyquist Plot) 定义： 在复平面上，以实部为横轴，虚部为纵轴，绘制开环传递函数 $G(jomega)H(jomega)$ 随频率 $omega$ 从 $0$ 到 $infty$ 变化的轨迹。 奈奎斯特稳定判据 (Nyquist Stability Criterion)： 阐述该判据的核心思想：通过环绕 $(-1, j0)$ 点的次数来判断闭环系统的稳定性。 引入开环幅相裕度 (Gain Margin, GM) 和相位裕度 (Phase Margin, PM)，它们是衡量系统稳定性的重要指标。 4.5 根轨迹 (Root Locus) 定义： 描述闭环系统极点随控制器增益 $K$ 变化的轨迹。 根轨迹绘制规则： 介绍绘制根轨迹的基本规则，例如起始点、终止点、渐近线、分离点、与虚轴的交点等。 根轨迹的应用： 直观展示增益 $K$ 对系统极点位置和稳定性的影响。 选择合适的增益 $K$ 来获得期望的系统动态性能（如稳定性、阻尼比、上升时间）。 4.6 PID 控制器设计 PID 控制器原理： 详细介绍比例 (P)、积分 (I)、微分 (D) 三个部分各自的作用，以及它们组合起来如何实现更优的控制效果。 比例 (P) 控制： 响应速度快，但可能存在稳态误差。 积分 (I) 控制： 消除稳态误差，但可能降低系统稳定性，增加超调。 微分 (D) 控制： 预测未来趋势，减小超调，提高响应速度，但对噪声敏感。 PID 参数整定方法： 经验方法： 如 Ziegler-Nichols (Z-N) 方法（临界比例法和衰减振荡法）。 基于频率响应的方法： 如利用伯德图或奈奎斯特图进行整定。 基于时域响应的方法： 如根据期望的超调量、调节时间等指标进行参数调整。 PID 控制器的改进： 提及抗积分饱和、抗微分先行等实际应用中的优化措施。 第五章：现代控制理论简介 本章将简要介绍更高级的自动控制理论，为读者在深入学习自动控制领域提供指引。 5.1 可控性与可观性 可控性 (Controllability)： 描述系统状态能否通过控制输入在有限时间内从任意初始状态转移到任意目标状态。 可观性 (Observability)： 描述系统状态能否通过系统的输出信号在有限时间内被完全确定。 介绍判断可控性和可观性的充要条件（如秩判据）。 阐述它们在系统设计和状态估计中的重要性。 5.2 状态反馈与状态估计 状态反馈 (State Feedback)： 利用系统的状态变量来设计控制器，以实现期望的系统性能，如极点配置。 状态估计器 (State Estimator)，如卡尔曼滤波器 (Kalman Filter)： 当系统状态变量无法直接测量时，利用测量到的输出信号和系统模型来估计系统状态。 5.3 现代控制理论的应用 最优控制 (Optimal Control)： 在满足系统约束条件下，寻找最优的控制策略，使某个性能指标达到最优（如最小化能量消耗、最小化时间）。 鲁棒控制 (Robust Control)： 设计能够抵抗系统模型不确定性和外部扰动的控制器，保证系统在一定范围内的性能。 自适应控制 (Adaptive Control)： 当系统参数发生变化时，控制器能够自动调整其参数以适应新的系统特性。 模糊控制 (Fuzzy Control)： 基于模糊逻辑，模拟人类的模糊推理能力来设计控制器，特别适用于难以建立精确数学模型的系统。 神经网络控制 (Neural Network Control)： 利用神经网络的学习能力来设计控制器，能够处理非线性、时变系统。 结语 本《工程控制系统导论》旨在为读者构建一个扎实的自动控制理论基础，从基本概念到系统分析，再到控制器设计，层层递进。通过对时域和频域特性的深入理解，读者将能够掌握分析和设计各类控制系统的关键工具和方法。希望本书能够激发读者对自动控制领域的兴趣，并为进一步的专业学习奠定坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

我接触控制理论已经有几个年头了，从早期的经典控制到现代控制理论，各种教材看了不少，但说实话，能把“鲁棒性”和“最优控制”这些高阶概念讲得如此深入浅出、且富有工程实践指导意义的，实属罕见。这本书在处理复杂动态系统的稳定性分析时，没有仅仅停留在李雅普诺夫函数那一层的理论证明，而是巧妙地引入了频域分析的直观理解，让那些抽象的数学语言变得有迹可循。比如在讲解H无穷控制设计时，作者没有直接抛出复杂的矩阵不等式求解过程，而是先用一个经典的伺服机构实例，层层剥茧地展示了性能指标与约束条件之间的博弈关系，这种从问题到方法的递进逻辑，极大地降低了初学者的理解门槛。它真正做到了理论指导实践，而不是为了理论而理论，让人在学习的过程中，时时刻刻都能感受到这项技术在真实工业场景中的巨大能量和应用潜力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验，很大程度上依赖于其配套的辅导材料。市面上很多教材光盘内容都是一些过时的PPT或者难以运行的演示软件，但这里的资源完全超出了我的预期。我主要关注的是那些仿真案例部分。作者团队显然是深谙现代仿真工具（如MATLAB/Simulink）的精髓。他们提供的M文件和Simulink模型结构清晰，注释详尽，不仅复现了书本上的经典案例（比如二阶系统的参数整定），更重要的是，还增加了几个高阶的、贴近现代制造业的案例，比如具有摩擦补偿的机械臂控制，或者基于卡尔曼滤波的状态观测器设计。我直接将光盘内容导入后，稍微修改了几个关键参数，就能立即看到系统响应的剧烈变化，这种“所见即所得”的学习方式，比单纯地在纸上推导公式要有效率得多，真正实现了理论与仿真的无缝对接，极大地巩固了对控制算法的直观感受。

评分☆☆☆☆☆

坦白讲，我是一个对数学推导环节极其挑剔的读者。很多教科书在引入新概念时，会跳过一些关键的数学推导步骤，美其名曰“留给读者思考”，但实际上往往让读者在关键节点卡住。然而，这部教材的详尽程度令人称赞。对于拉普拉斯变换在传递函数推导中的应用、矩阵指数的计算方法，乃至状态空间表示法的等价转换，作者都进行了非常细致的分解和演算。特别是对线性系统理论中那些涉及特征值和特征向量的讨论，不仅给出了定理的精确表述，还配上了简短的几何意义解释，让人明白为什么这些代数运算能够对应到系统的动态特性上。这种对基础严谨性的坚守，确保了即便是后续学习更复杂的非线性或自适应控制时，读者也能迅速找到坚实的数学基础作为支撑，不会感到底气不足。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计真是让人眼前一亮，封面采用了哑光材质，触感温润细腻，中央的烫金字体清晰有力，透着一股老牌教材特有的沉稳与专业感。我特别喜欢它那种不事张扬的学院气质，不像某些新潮教材那样花里胡哨，完全是直奔主题。拿到手里分量十足，这预示着内容的扎实程度。内页的纸张选择也颇为考究，不是那种反光严重的亮白纸，而是略带米黄色的环保纸张，长时间阅读下来眼睛的疲劳感减轻了不少。排版上，公式和文字的间距把握得恰到好处，即便是复杂的控制系统框图，也能清晰地呈现，没有丝毫拥挤感。特别是那些关键定理的定义和推导过程，都被特意加粗或用不同字号突出显示，学习起来脉络分明，效率极高。这本书不仅仅是一本工具书，更像是一位资深的导师，用最规范、最严谨的方式引导你进入自动控制的宏大世界。初翻阅时，我就被它这种对细节的极致追求所折服，这才是真正沉淀下来的知识应有的模样。

评分☆☆☆☆☆

与其他同类书籍相比，我发现这本书最大的魅力在于其平衡性。它既没有陷入过度数学化的泥潭，导致工程直觉丧失，也没有为了追求工程实用性而牺牲理论的深度和严谨性。例如，在讲解PID控制器的经典整定时，它不仅用根轨迹法给出了定性的分析，还非常慷慨地加入了Ziegler-Nichols（齐格勒-尼科尔斯）经验公式的推导背景，解释了该经验公式背后的动态响应预期。更妙的是，它在全书的最后几章，对当前控制技术的前沿趋势——如智能控制、模糊逻辑和神经网络控制的基础思想——进行了高度概括和展望，虽然篇幅不长，但足以激发读者进一步探索的兴趣。这本书就像一座稳固的桥梁，连接了经典的控制理论基础与未来控制技术的发展方向，对于想建立完整知识体系的工程师来说，是非常宝贵的一笔财富。