自动控制原理（第3版）

　　本书全面地阐述经典控制理论的基本概念、原理和自动控制系统的各种分析方法。可作为高等院校自动化、电气工程及其自动化、电子科学与技术、测控技术与仪器、过程装备与控制工程、轨道交通信号与控制、交通设备与控制工程、机械设计制造及其自动化、机械电子工程、建筑电气与智能化、农业机械化及其自动化等专业的本科生教材，或作为其他相关专业的研究生和高年级本科生教材，也可作为从事自动控制研究、设计和应用的科技人员的参考用书。

　　本书全面地阐述经典控制理论的基本概念、原理和自动控制系统的各种分析方法。主要内容包括：控制系统的数学模型、线性控制系统的时域响应分析法、线性控制系统的根轨迹分析法、线性控制系统的频域分析法、线性控制系统的校正方法、非线性控制系统的分析、线性离散控制系统的分析与设计。本书取材先进实用，讲解深入浅出，各章选例和习题丰富，且均有用MATLAB/Simulink编写的仿真及解题实例，便于读者自学。

　　太原理工大学教授，山西省电机工程协会会员、山西省自动化协会会员，主要授课课程：自动控制原理、现代控制理论基础、过程控制系统、系统仿真及机辅分析、可编程控制器编程与应用、最优控制理论、人工智能及其应用、基于MATLAB的智能控制系统的分析与设计。

前言
第1章 绪论
1.1 自动控制的基本概念
1.2 自动控制系统的组成
1.3 自动控制系统的基本控制方式
1.4 自动控制系统的分类
1.5 自动控制系统的基本要求
1.6 自动控制理论的产生和发展
小结
习题
第2章 控制系统的数学模型
2.1 微分方程
2.2 传递函数
2.3 结构图
2.4 信号流图
2.5 利用MATLAB描述和求解系统数学模型
小结
习题
第3章 线性控制系统的时域分析法
3.1 时域分析的基础知识
3.2 系统的稳定性
3.3 系统的时域响应
3.4 系统的稳态误差
3.5 基于MATLAB的控制系统时域分析
小结
习题
第4章 线性控制系统的根轨迹分析法
4.1 根轨迹分析的基础知识
4.2 常规根轨迹的绘制
4.3 参数根轨迹的绘制
4.4 纯迟延根轨迹的绘制
4.5 利用根轨迹分析控制系统
4.6 利用MATLAB进行根轨迹分析
小结
习题
第5章 线性控制系统的频域分析法
5.1 频域分析的基础知识
5.2 典型环节的频率特性
5.3 系统的开环频率特性
5.4 系统的闭环频率特性
5.5 利用频率特性对系统进行分析
5.6 基于MATLAB的控制系统频域分析
小结
习题
第6章 线性控制系统的校正方法
6.1 线性控制系统的基础知识
6.2 串联校正
6.3 反馈校正
6.4 复合校正
6.5 基于MATLAB的控制系统校正
小结
习题
第7章 非线性控制系统的分析
7.1 非线性控制系统的基础知识
7.2 相平面分析法
7.3 描述函数分析法
7.4 基于MATLAB的非线性系统分析
小结
习题
第8章 线性离散控制系统的分析与设计
8.1 线性离散控制系统的基础知识
8.2 z变换及其反变换
8.3 离散系统的数学模型
8.4 离散控制系统的稳定性分析
8.5 离散控制系统的动态性能
8.6 离散控制系统的稳态误差
8.7 离散控制系统的校正
8.8 基于MATLAB的离散控制系统的分析与设计
小结
习题
附录A 拉普拉斯变换
附录B 习题参考答案
参考文献

　　前言
　　自动控制理论不仅是高等学校自动化及其他电类专业的一门核心基础理论课，而且在机械、化工等非电类工程专业的课程设置中也占有重要地位。特别是近年来，由于自动控制技术在各行各业的广泛渗透，控制理论已逐渐成为高等学校许多学科共同的专业基础，且越来越占有重要的位置。
　　本书自2010年8月初版和2014年8月第2版出版发行以来，得到了广大读者的关心和支持，被国内多所大学选作教材。这次修订在保持前两版系统、实用、易读的特点和基本框架的基础上，除修改和调整了个别章节的内容外，还增加了利用 MATLAB 实现根轨迹法的串联校正，力求使本书内容更为准确、合理和完整。同时，本次修订版也更加符合自动化及相关学科的发展，能够拓宽专业面，优化整体教学体系的教学改革形势，满足自动化及相关专业的教学需要和多学科交叉背景学生的学习需求。
　　本书按照“理论讲透，重在应用”的原则，系统地论述了以下几方面的内容：
　　（1）自动控制的基本概念及自动控制系统的组成、基本控制方式、分类和基本要求。
　　（2）控制系统的数学模型，包括线性系统的微分方程、非线性系统微分方程的线性化、传递函数、方框图、信号流图和MATLAB中数学模型的表示。
　　（3）线性控制系统的时域分析法，包括典型输入信号、系统的稳定性、一阶系统的时域响应、二阶系统的时域响应、高阶系统的时域响应、系统的稳态误差和基于 MATLAB 的控制系统时域分析。
　　（4）线性控制系统的根轨迹分析法（复域分析法），包括常规根轨迹的绘制、广义根轨迹的绘制、纯迟延系统根轨迹的绘制、利用根轨迹分析控制系统和基于MATLAB的根轨迹分析。
　　（5）线性控制系统的频域分析法，包括典型环节的频率特性、系统的开环频率特性、奈奎斯特稳定判据、控制系统的稳定裕量、系统的闭环频率特性、利用频率特性对闭环系统进行分析和基于MATLAB的控制系统频域分析。
　　（6）线性控制系统的校正方法，包括校正装置及其特性、频率法串联校正、根轨迹法串联校正、反馈校正、复合校正和基于MATLAB的控制系统校正。
　　（7）非线性系统分析，包括常见非线性特性、相平面法、描述函数法和基于 MATLAB的非线性系统分析。
　　（8）离散控制系统，包括采样过程与采样定理、采样信号保持器、z 变换、离散系统的数学模型、离散系统的稳定性分析、离散系统的动态性能、离散系统的稳态误差、离散系统的校正和基于MATLAB的离散系统分析。
　　本书由浅入深、循序渐进，各章选例和习题丰富，且均有用 MATLAB/Simulink 编写的仿真及解题实例，强调了现代化的解题方法。
　　全书包括8章和2个附录。其中，第1章由杨麦仓编写，第2章由李虹编写，第3章由韩念琛编写，第4章由梁金蕊编写，第5章由李国勇编写，第6章由马志芳编写，第7章由吝伶艳编写，第8章由乔学工编写；全书由李国勇统稿。李岚教授和杜欣慧教授主审了全书，在此表示衷心的感谢。此外，还要感谢策划编辑牛平月女士和研究生杨欣东为本书的出版所付出的辛勤工作。
　　本教材适用于总学时数为48～96（3～6学分），其中课堂教学42～82学时、实验6～14学时的课程。各章编排具有相对的独立性，便于不同层次院校的不同专业选用，以适应不同教学学时的需要。
　　本书配套的教学课件，可登录电子工业出版社旗下华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费下载。
　　由于编者水平有限，错误和不妥之处在所难免，敬请读者指正。
　　编者

　　图1-1中被加热箱体的水位：水位过高→溢出→不经济；水位过低→干箱→不安全。
　　因此，人需要控制进水阀门R1来改变流入量Q1，即通过不断调节进入箱体内的流量，使得水箱中的实际水位H 实等于规定的水位H0。
　　在人工控制过程中，人要连续不断地观测箱体内的水位，并与要求水位比较，反映到大脑中，然后大脑根据水位差的大小和方向，产生控制指令，加大或减小进水阀门的开度，以减少差异，人通过连续不断的操作，使箱体水位维持在要求值附近。