正版 自动控制原理 第3版 21世纪高等学校规划教材 电子信息 余成波自动控制系统数学模 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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余成波，张莲，胡晓倩 著

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出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302478027

商品编码：29782711900

包装：104200

开本：16

出版时间：2018-06-01

页数：425

商品参数

自动控制原理（第3版）（21世纪高等学校规划教材·电子信息）
	定价	59.50
	出版社	清华大学出版社
	出版时间	2018年06月
	开本	16
	作者	余成波、张莲、胡晓倩
	页数	425
	ISBN编码	9787302478027

内容介绍

本书主要介绍分析和设计反馈控制系统的经*理论和应用方法。全书共8章，内容包括自动控制系统的基本概念，自动控制系统的数学模型，自动控制系统的时域分析法、根轨迹法、频率特性法，控制系统的校正、非线性控制系统、离散控制系统的分析和综合应用等。在每章后面分别介绍了MATLAB在自动控制理论中的一些应用，以及如何利用计算机辅助设计方法解决自动控制领域的一些系统分析和设计问题。同时，各章均提供了一定数量的习题与MATLAB实验题，以帮助读者理解基本概念并掌握分析和设计方法。

本书可作为高等工科院校自动化及相关专业的教材，也可供从事自动化方面工作的科技人员学习参考。

目录

目录

第1章控制系统的基本概念

1.1引言

1.2开环控制系统与闭环控制系统

1.2.1开环控制系统

1.2.2闭环控制系统

1.3自动控制系统的组成

1.3.1基本组成部分

1.3.2自动控制系统中常用的名词术语

1.4自动控制系统的分类

1.4.1按输入信号的特点分类

1.4.2按描述系统的动态方程分类

1.4.3按系统的参数是否随时间而变化分类

1.4.4按信号的传递是否连续分类

1.5自动控制系统的应用实例

1.5.1炉温控制系统

1.5.2导弹发射架方位控制系统

1.5.3计算机控制系统

1.6自动控制理论发展简史

1.7对自动控制系统的基本要求

习题

第2章自动控制系统的数学模型

2.1控制系统微分方程的建立

2.1.1机械系统

2.1.2电系统——RLC串联网络

2.1.3机电系统

2.2非线性系统微分方程的线性化

2.2.1小偏差线性化的概念

2.2.2非线性系统(元件)线性化处理举例

2.2.3系统线性化的条件及步骤

2.3传递函数

2.3.1传递函数的定义和性质

2.3.2用复数阻抗法求电网络的传递函数

2.3.3典型环节及其传递函数

2.4控制系统的结构图及其等效变换

2.4.1结构图的基本概念

2.4.2结构图的组成

2.4.3结构图的建立

2.4.4结构图的等效变换

2.5自动控制系统的传递函数

2.5.1系统的开环传递函数

2.5.2闭环系统的传递函数

2.5.3闭环系统的偏差传递函数

2.6信号流图

2.6.1信号流图的基本要素

2.6.2信号流图的常用术语

2.6.3信号流图的性质

2.6.4信号流图的等效变换法则

2.6.5梅逊公式

2.7脉冲响应函数

2.8控制系统数学模型的MATLAB实现

2.8.1MATLAB简介

2.8.2控制系统的数学模型

2.8.3应用举例

习题

MATLAB实验

第3章控制系统的时域分析法

3.1典型输入信号和时域性能指标

3.1.1典型输入信号

3.1.2动态过程与稳态过程

3.1.3时域性能指标

3.2一阶系统的动态性能

3.2.1一阶系统的时域数学模型

3.2.2一阶系统的重要特性

3.3二阶系统的动态性能

3.3.1数学模型的标准式

3.3.2典型二阶系统的单位阶跃响应

3.3.3典型二阶系统动态性能指标

3.3.4二阶系统性能的改善

3.4高阶系统的动态性能

3.4.1高阶系统的数学模型

3.4.2高阶系统的单位阶跃响应

3.4.3高阶系统的分析方法

3.5稳定性和代数稳定判据

3.5.1稳定的概念

3.5.2线性定常系统稳定的充分必要条件

3.5.3劳斯稳定判据

3.5.4劳斯稳定判据的应用

3.6系统稳态误差分析

3.6.1误差与稳态误差的定义

3.6.2控制系统的型别

3.6.3给定输入下的稳态误差

3.6.4扰动作用下的稳态误差

3.6.5改善系统稳态精度的方法

3.7控制系统时域分析的MATLAB应用

3.7.1基于Toolbox工具箱的时域分析

3.7.2Simulink

习题

MATLAB实验

第4章根轨迹法

4.1根轨迹的基本概念

4.1.1根轨迹概念

4.1.2根轨迹方程

4.2绘制根轨迹图的基本规则

4.3控制系统根轨迹的绘制

4.3.1单回路负反馈系统的根轨迹

4.3.2参数根轨迹

4.3.3多回路系统的根轨迹

4.3.4正反馈系统的根轨迹

4.3.5滞后系统的根轨迹

4.4控制系统的根轨迹分析

4.4.1闭环零、极点和时间响应

4.4.2增加开环零、极点对根轨迹和系统性能的影响

4.4.3条件稳定系统的分析

4.5应用MATLAB绘制系统的根轨迹

4.5.1绘制根轨迹的相关函数

4.5.2利用MATLAB绘制系统的根轨迹

习题

MATLAB实验

第5章频率特性法

5.1频率特性的基本概念

5.1.1频率响应

5.1.2频率特性

5.1.3由传递函数求取频率特性

5.1.4常用频率特性曲线

5.2幅相频率特性及其绘制

5.2.1幅相频率特性曲线(奈氏图)基本概念

5.2.2典型环节的幅相频率特性

5.2.3开环奈氏图的绘制

5.3对数频率特性及其绘制

5.3.1对数频率特性曲线基本概念

5.3.2典型环节的伯德图

5.3.3开环伯德图的绘制

5.3.4*小相位系统

5.3.5由实测伯德图求传递函数

5.4奈奎斯特稳定判据

5.4.1幅角原理

5.4.2奈奎斯特稳定判据

5.4.3简化奈奎斯特稳定判据

5.4.4奈奎斯特稳定判据在伯德图上的应用

5.4.5奈奎斯特稳定判据的其他应用

5.5控制系统的相对稳定性

5.5.1幅值穿越频率ωc与相位穿越频率ωg

5.5.2相位裕量

5.5.3幅值裕量

5.5.4系统的稳定裕量

5.6利用开环频率特性分析系统的性能

5.6.1开环对数幅频特性L(ω)低频段与系统性能的关系

5.6.2开环对数幅频特性L(ω)中频段与系统动态性能的关系

5.6.3开环对数幅频特性L(ω)高频段与系统性能的关系

5.7闭环系统频率特性

5.7.1闭环频域指标

5.7.2闭环频率特性的求取

5.7.3闭环频域指标与时域指标的关系

5.8MATLAB在频率特性法中的应用

5.8.1奈氏图的绘制

5.8.2伯德图的绘制

5.8.3尼柯尔斯图的绘制

习题

MATLAB实验

第6章控制系统的校正

6.1控制系统校正的基本概念

6.1.1控制系统的性能指标

6.1.2校正的一般概念与基本方法

6.1.3频率法校正

6.1.4其他设计方法

6.2控制系统的基本控制规律

6.2.1基本控制规律

6.2.2比例�参⒎挚刂�

6.2.3比例�不�分控制

6.2.4比例�不�分�参⒎挚刂�

6.3超前校正装置及其参数的确定

6.3.1相位超前校正装置及其特性

6.3.2系统超前校正的分析法设计

6.3.3小结

6.4滞后校正装置及其参数的确定

6.4.1相位滞后校正装置及其特性

6.4.2串联滞后校正装置的分析法设计

6.4.3小结

6.5滞后�渤�前校正装置及其参数的确定

6.5.1相位滞后�渤�前校正装置及其特性

6.5.2系统滞后�渤�前校正的分析法设计

6.5.3小结

6.6期望对数频率特性设计法

6.6.1期望法设计的基本概念

6.6.2常见系统的期望特性

6.6.3应用实例

6.6.4小结

6.7基于根轨迹法的串联校正

6.7.1根轨迹法校正的基本概念

6.7.2利用根轨迹法设计超前校正装置

6.7.3利用根轨迹法设计滞后校正装置

6.7.4利用根轨迹法设计滞后�渤�前校正装置

6.8反馈校正装置及其参数的确定

6.8.1反馈校正的基本概念

6.8.2反馈校正的设计方法

6.8.3常用反馈校正形式与功能

6.8.4小结

6.9控制系统校正的MATLAB应用

6.9.1MATLAB函数在控制系统校正中的应用

6.9.2基于Simulink的系统校正

习题

MATLAB实验

第7章非线性控制系统

7.1非线性系统的基本概念

7.1.1非线性系统的数学描述

7.1.2非线性特性的分类 

7.1.3非线性系统的特点

7.1.4非线性系统的分析和设计方法

7.2二阶线性和非线性系统的相平面分析

7.2.1相平面、相轨迹和平衡点

7.2.2二阶线性系统的特征

7.2.3二阶非线性系统的特征

7.3非线性系统的相平面分析

7.3.1绘制相轨迹的方法

7.3.2相轨迹求系统暂态响应

7.3.3相轨迹分析非线性系统

7.4非线性特性的一种线性近似表示——描述函数

7.4.1描述函数的意义

7.4.2典型非线性特性的描述函数

《控制理论基础与应用》 一、 控制理论的基石：系统建模与分析 本书以严谨的学术态度，深入浅出地阐释了现代控制理论的核心概念。我们将从系统建模的基石出发，逐步揭示控制系统的本质。 数学模型：控制世界的语言。 任何一个可控系统，无论是物理的、生物的还是经济的，都可以用一组数学方程来描述其动态行为。本书将引导读者掌握建立这些数学模型的方法，从时域的微分方程、传递函数，到频域的频率响应，再到状态空间等价表示。我们将重点介绍如何根据物理系统的特性，提取关键参数，构建精确而简洁的数学模型。例如，对于一个简单的RLC电路，我们将推导其电压-电流关系方程；对于一个机械振动系统，我们将建立其运动方程。我们会强调模型简化在实际工程中的重要性，以及不同模型适用于不同分析场景的考量。 时域分析：系统行为的时间轨迹。 一旦建立了系统的数学模型，我们便可以通过时域分析来理解系统在不同输入信号作用下的响应。本书将详尽介绍瞬态响应（如单位阶跃响应、单位脉冲响应）的计算与特性分析，包括上升时间、超调量、调节时间等关键指标。我们将深入探讨系统的稳定性问题，解析零输入响应和零状态响应的物理意义，以及如何通过系统的极点位置来判断其稳定性。此外，本书还将引入激励-响应分析，阐明外部激励如何驱动系统演变。 频域分析：揭示系统的频率特性。 频率响应分析是理解系统在不同频率信号作用下行为的强大工具。我们将介绍如何从时域模型导出系统的频率响应函数，并通过Bode图、Nyquist图等图形工具来直观地展示系统的幅频特性和相频特性。读者将学习如何从这些图表中分析系统的带宽、增益裕度、相位裕度，并理解它们与系统稳定性和动态性能的关系。本书还将触及LTI（线性时不变）系统的傅里叶变换分析，理解系统如何对不同频率分量的输入进行响应。 状态空间方法：现代控制理论的强大框架。 状态空间方法提供了一个更为通用和强大的框架来描述和分析多输入多输出（MIMO）系统。我们将介绍状态向量、状态方程和输出方程的概念，并演示如何将传递函数模型转化为状态空间模型，反之亦然。本书将重点讲解状态空间模型的能控性、可观测性等基本概念，并阐述它们在控制器设计和状态估计中的重要作用。我们还将介绍模态分析，理解系统内部状态的演化规律。 二、 控制器的设计：塑造系统行为的关键 理论模型的建立是为了更好地控制系统。本书将聚焦于各种经典和现代的控制器设计方法。 PID控制器：工业控制的“万金油”。 比例-积分-微分（PID）控制器是目前工业界应用最广泛的控制器。本书将深入剖析PID控制的原理，详细讲解比例（P）、积分（I）和微分（D）各自的作用及其对系统性能的影响。我们将介绍多种PID参数整定方法，包括试凑法、Ziegler-Nichols方法，以及基于模型的方法。本书将强调PID控制器在克服稳态误差、抑制暂态振荡方面的作用，并讨论其在实际应用中的局限性以及针对性的改进策略。 超前/滞后补偿：频率域的精妙调控。 针对系统在特定频率范围内的性能不足，我们可以引入超前或滞后补偿器来改善其频率响应。本书将详细讲解超前补偿器和滞后补偿器的工作原理，以及它们如何改变系统的增益和相位特性。我们将通过Bode图来演示如何设计这些补偿器，以满足特定的稳定性和动态性能要求。例如，超前补偿器可以提高系统的相位裕度，从而提高系统的稳定性；滞后补偿器则可以改善系统的低频增益，减少稳态误差。 前馈控制：主动消除扰动的影响。 与反馈控制不同，前馈控制在扰动发生之前就进行干预，从而主动地消除扰动对被控变量的影响。本书将介绍前馈控制的基本原理，以及如何根据对扰动的测量或预测来设计前馈控制器。我们将分析前馈控制与反馈控制相结合的优势，以及如何通过这种方式获得更优越的控制性能。 状态反馈控制：现代控制设计的有力工具。 基于状态空间方法，状态反馈控制技术允许我们根据系统的所有状态变量来设计控制器。本书将详细介绍如何设计状态反馈增益矩阵，以实现期望的系统极点配置，从而达到任意动态性能的设计目标。我们将讨论极点配置法的原理，以及如何利用可控性矩阵来判断是否能够实现期望的极点配置。 观测器设计：估计不可测状态。 在许多实际系统中，并非所有的状态变量都可以直接测量。观测器（或状态估计器）就是用于根据系统的输入和输出信号来估计其内部状态的设备。本书将介绍观测器的工作原理，包括Luenberger观测器等经典设计方法，以及如何设计观测器增益，以确保估计的准确性和收敛速度。我们将探讨观测器与状态反馈控制器相结合的设计过程。 三、 现代控制理论的拓展与进阶 除了经典控制理论，本书还将带领读者探索现代控制理论的更广阔领域。 鲁棒控制：应对不确定性的挑战。 实际系统总是存在模型不确定性、参数摄动和外部噪声等不确定因素。鲁棒控制旨在设计能够在这些不确定性存在的情况下，仍然保持良好性能的控制器。本书将介绍鲁棒控制的基本思想，以及一些常见的鲁棒控制方法，如H-无穷控制的初步概念，以及如何通过保守性来权衡性能和鲁棒性。 最优控制：追求最佳性能。 最优控制的目标是设计一个控制器，使得系统的某种性能指标（如能量消耗、响应时间）达到最优。本书将介绍最优控制的基本原理，包括性能指标函数的选择，以及如何应用变分法、庞特里雅金最小值原理等数学工具来求解最优控制问题。我们将初步介绍线性二次型调节器（LQR）的设计，并阐述其在实现最优控制方面的优势。 数字控制系统：从模拟到数字的飞跃。 随着计算机技术的发展，数字控制系统已经成为现代控制工程的主流。本书将介绍如何将连续时间控制系统离散化，以及数字控制器的设计方法。我们将重点讲解采样定理、零阶保持器等概念，并讨论数字PID控制器、数字滤波器的设计。 四、 控制系统的分析与仿真 理论知识的掌握离不开实践的检验。本书将强调仿真在控制系统设计中的重要作用。 仿真工具的应用：MATLAB/Simulink。 我们将介绍如何使用强大的工程仿真软件，如MATLAB及其Simulink模块，来对建立的系统模型进行仿真分析。通过仿真，读者可以直观地观察系统在不同控制器作用下的动态响应，并验证理论设计的正确性。我们将指导读者如何搭建仿真模型，设置仿真参数，并对仿真结果进行解读。 性能评估与优化：从仿真到实践。 仿真不仅仅是验证，更是优化设计参数、探索不同控制策略的平台。本书将引导读者利用仿真结果来评估控制系统的性能，识别潜在问题，并根据仿真结果对控制器进行迭代优化，直至达到预期的设计目标。 五、 应用实例与工程展望 控制理论的应用无处不在，贯穿于我们生活的方方面面。 工业自动化： 从生产线的自动化控制，到机器人末端执行器的精确运动，控制理论是实现高效、稳定生产的关键。 航空航天： 飞机、导弹、卫星的姿态控制、导航系统，无不依赖于复杂的控制系统。 汽车工业： 自动驾驶、发动机管理、悬架控制等，都融入了先进的控制技术。 生物医学工程： 医疗器械的精密控制，如手术机器人、输液泵，以及人体生理信号的监测与调控。 环境保护： 污水处理、环境监测、能源管理等领域，都需要精密的控制系统来保障效率和效益。 本书的目标是为读者构建一个坚实的控制理论基础，并引导他们理解这些理论如何在实际工程中落地。通过理论学习与仿真实践相结合，读者将能够分析和设计各种复杂的控制系统，解决工程实际中的问题，并为未来在自动化、智能化领域的发展打下坚实的基础。我们鼓励读者在掌握基本原理的基础上，积极探索更先进的控制技术，迎接控制科学与工程不断涌现的新挑战。

评分☆☆☆☆☆

说实话，一开始我对“规划教材”这类定位的书籍抱有谨慎态度，总担心内容会为了照顾广度而牺牲深度。然而，这本书彻底颠覆了我的看法。它的深度足以支撑研究生阶段的学习，广度也足够覆盖当前主流的工程需求。让我印象最为深刻的是，它在介绍现代控制理论时，对可控性和可观测性给出了非常清晰的物理意义阐释，这比单纯记住矩阵秩的判定标准重要得多。书中关于极点配置的讲解，逻辑性极强，从线性代数的角度切入，自然而然地推导出如何通过状态反馈来实现期望的系统动态性能。此外，它对一些前沿的议题也有所涉及，比如模糊控制和自适应控制的初步概念介绍，虽然篇幅不长，但为我们这些希望继续深造的读者指明了后续学习的方向。这本书的排版也十分人性化，关键概念加粗，重要的定理和引理都有编号，查阅起来非常方便，极大地提高了我的学习效率。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计得相当朴实，没什么花哨的装饰，一看就知道是面向专业学习者的扎实教材。我第一次翻开它，就被其中清晰的章节结构和详尽的公式推导所吸引。作者在基础概念的引入上做得非常到位，对于控制系统的基本假设和数学描述，讲解得深入浅出，即便是初次接触这门学科的读者，也能快速抓住核心要义。特别是关于传递函数和状态空间模型的对比分析，处理得非常巧妙，没有陷入纯理论的泥沼，而是紧密结合实际工程中的应用场景进行阐述。书中的例题设计得很有层次感，从最简单的二阶系统到复杂的反馈回路，每一步的计算过程都展示得清清楚楚，这对于我这种习惯于动手演算的学习者来说，简直是福音。我特别喜欢它在引入根轨迹法时，不仅展示了绘图的步骤，更深挖了参数变化对系统稳定性和性能的实质性影响，让人对“调参”有了更直观的理解。总的来说，这本书的学术严谨性毋庸置疑，是打好自动控制理论基础的绝佳选择。

评分☆☆☆☆☆

我最近在准备一个涉及复杂系统建模的项目，手头上的参考资料不少，但真正能让人醍醐灌顶的却不多。这本教材恰好填补了我的这个“空白点”。它的精彩之处在于对非线性系统的处理上，很多教科书往往一笔带过，或者仅仅停留在李雅普诺夫稳定性的理论证明上，但这本书却花了大量的篇幅去介绍各种工程上实用的近似方法，比如描述函数法和相平面法，这些工具在实际工程分析中比纯粹的解析解要管用得多。我尤其欣赏作者在讨论系统辨识部分时，没有将它处理成一个孤立的章节，而是巧妙地将其融入到整个系统设计流程中，强调了模型准确性对于后续控制器设计的决定性作用。阅读过程中，我发现书中的一些图表制作得非常精良，尤其是对波特图和奈奎斯特图的解读，配以直观的文字说明，让原本抽象的频域分析变得触手可及。这本书不仅仅是知识的堆砌，更像是一位经验丰富的导师在手把手地教你如何将理论应用于解决实际的工程难题。

评分☆☆☆☆☆

阅读体验上，我必须称赞这本书的语言风格。它不像某些经典老教材那样古奥难懂，充满了晦涩的术语，作者的文字非常流畅自然，仿佛一位耐心的老师在与你对话，逐步引导你领悟复杂的数学思想。比如，在讲解李雅普诺夫稳定性理论时，作者巧妙地引入了能量守恒的概念作为类比，这使得抽象的能量函数（李雅普诺夫函数）的物理意义立刻变得具体起来。另外，这本书在对不同控制方法的适用性进行比较时，做得非常客观和平衡，它不会盲目吹捧某一类方法，而是清晰地指出每种方法的优势、局限性以及在什么特定工况下应该优先选用。这种批判性的思维引导，对于培养一个合格的控制工程师至关重要。它教会我的不只是“如何做”，更是“为什么这样做”以及“什么时候不应该这样做”。这本书的综合质量，绝对是值得在专业领域反复研读的经典之作。

评分☆☆☆☆☆

我是一位工作多年的工程师，重新拾起自动控制的理论知识来优化我们生产线上的一条旧的控制回路。市面上的很多教材都过于偏重理论推导，读起来费时费力，但这本书的实用性让我惊喜。它在讲解PID控制器设计时，没有停留在经典的Ziegler-Nichols整定法，而是结合了对一阶加纯滞后模型（FOPDT）的分析，提供了更符合现代工业实践的调试思路。我特别参考了其中关于鲁棒控制基础的那一节，作者用非常简洁的方式解释了$H_infty$控制的基本思想，避免了复杂的矩阵不等式推导，让我们这些偏向应用的工程师也能快速理解其核心价值——即如何在模型不确定性的情况下保证控制性能。书中的附录部分对MATLAB/Simulink的仿真应用也有详细指导，这直接加速了我将理论转化为实际控制代码的速度。这本书的价值就在于，它既能满足学术上的严谨要求，又能为工程实践提供坚实的理论支撑。