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第1章 自动控制的基本概念1

1.1 自动控制理论概述1

1.2 简要历史2

1.3 自动控制系统的组成3

1.3.1 人工控制与自动控制3

1.3.2 自动控制的基本概念与组成3

1.3.3 系统术语4

1.3.4 自动控制系统的方块图表示4

1.4 自动控制系统的分类5

1.4.1 开环控制系统和闭环控制系统5

1.4.2 定值、随动和程序控制系统7

1.4.3 线性和非线性控制系统7

1.4.4 连续和离散控制系统8

1.4.5 单变量和多变量控制系统8

1.5 自动控制系统举例8

1.5.1 温度控制系统9

1.5.2 位置随动系统10

1.5.3 自动调速系统11

1.6 自动控制系统的基本要求12

1.7 本课程的学习任务与学习要求13

本章小结14

习题114

第2章 拉普拉斯变换及其应用16

2.1 拉氏变换的概念16

2.2 拉氏变换的运算定理20

2.3 拉氏反变换25

2.4 拉氏变换应用举例26

本章小结32

习题232

第3章 自动控制系统的数学模型34

3.1 控制系统的微分方程34

3.1.1 控制系统微分方程的建立34

3.1.2 控制系统微分方程的求解36

3.2 传递函数37

3.2.1 传递函数的定义37

3.2.2 传递函数的求取38

3.2.3 传递函数的性质40

3.3 控制系统的动态结构图40

3.3.1 动态结构图的组成与画法40

3.3.2 动态结构图的等效变换及化简43

3.3.3 用公式法求传递函数48

3.4 典型环节的数学模型及阶跃响应50

3.4.1 典型环节的数学模型50

3.4.2 典型环节的传递函数及阶跃响应53

3.5 控制系统的传递函数57

本章小结60

习题361

第4章 控制系统的时域分析法63

4.1 典型控制过程及性能指标63

4.1.1 典型初始状态63

4.1.2 典型输入信号63

4.1.3 阶跃响应的性能指标65

4.2 一阶系统的时域分析67

4.3 二阶系统的时域分析68

4.4 系统稳定性分析74

4.4.1 稳定的基本概念74

4.4.2 线性系统稳定的充分必要条件75

4.4.3 劳斯稳定判据76

4.4.4 两种特殊情况77

4.4.5 劳斯稳定判据在系统分析中的应用78

4.5 稳态性能的时域分析79

4.5.1 稳态误差的基本概念79

4.5.2 系统类型80

4.5.3 参考输入信号作用下的稳态误差80

4.5.4 扰动输入信号作用下的稳态误差82

本章小结84

习题484

第5章 控制系统的频域分析法87

5.1 频率特性的概念87

5.1.1 频率特性的基本概念87

5.1.2 频率特性与传递函数的关系88

5.1.3 频率特性的性质88

5.1.4 频率特性的图形表示方法89

5.2 典型环节的伯德图90

5.2.1 比例环节90

5.2.2 积分环节90

5.2.3 微分环节91

5.2.4 惯性环节92

5.2.5 比例微分环节93

5.2.6 振荡环节94

5.2.7 一阶不稳定环节96

5.2.8 最小相位系统的概念96

5.3 系统开环对数频率特性曲线的绘制99

5.3.1 系统开环对数频率特性曲线绘制的一般步骤99

5.3.2 开环对数频率特性曲线绘制举例100

5.4 系统稳定性的频域分析105

5.4.1 对数频率稳定判据105

5.4.2 稳定裕量107

5.5 动态性能的频域分析109

5.5.1 三频段的概念109

5.5.2 典型系统111

本章小结114

习题5114

第6章 自动控制系统的校正118

6.1 常用校正装置118

6.1.1 无源校正装置118

6.1.2 有源校正装置119

6.2 串联校正120

6.2.1 串联比例校正121

6.2.2 串联比例微分校正122

6.2.3 串联比例积分校正123

6.2.4 串联比例积分微分校正125

6.3 反馈校正126

6.4 前馈控制的概念129

本章小结130

习题6131

第7章 直流调速系统132

7.1 直流调速系统概述132

7.1.1 直流调速系统的基本概念132

7.1.2 直流调速的三种方式133

7.1.3 调压调速的三种主要形式134

7.1.4 直流调速系统的性能指标137

7.2 单闭环直流调速系统140

7.2.1 闭环调速系统常用调节器140

7.2.2 单闭环直流调速系统145

7.2.3 无静差调速系统概述及积分控制规律151

7.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统152

7.3.1 电流截止负反馈的引入152

7.3.2 带电流截止负反馈的闭环调速系统静特性153

7.3.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统启动过程154

7.4 闭环调速系统设计实例155

本章小结160

习题7160

第8章 PWM直流脉宽调速系统162

8.1 直流脉宽调制电路的工作原理163

8.1.1 不可逆、无制动力PWM变换器163

8.1.2 不可逆、有制动力PWM变换器164

8.1.3 可逆PWM变换器165

8.2 脉宽调速系统的控制电路169

8.2.1 直流脉宽调制器169

8.2.2 逻辑延时电路170

8.2.3 基极驱动电路和保护电路170

8.3 PWM直流调速装置的系统分析171

8.3.1 总体结构171

8.3.2 PWM脉宽调制变换器的传递函数172

8.3.3 系统分析172

8.4 由PWM集成芯片组成的直流脉宽调速系统实例172

8.4.1 SG1731芯片简介172

8.4.2 由SG1731组成的直流调速系统173

本章小结174

习题8175

第9章 位置随动系统176

9.1 位置随动系统组成及其基本特征176

9.1.1 位置随动系统的组成176

9.1.2 位置随动伺服系统的分类178

9.1.3 随动伺服系统的控制方式179

9.2 位置伺服系统的部件功能及工作原理180

9.2.1 位置检测元件180

9.2.2 执行元件183

9.2.3 相敏整流与滤波电路185

9.2.4 放大电路187

9.3 位置随动伺服系统的控制特点与实例分析187

9.3.1 系统组成原理图187

9.3.2 系统组成框图189

9.3.3 系统自动调节过程189

9.4 位置伺服系统的控制性能分析与校正设计189

9.4.1 系统的稳态性能分析190

9.4.2 系统的动态性能分析191

本章小结191

习题9192

第10章 异步交流电动机变频调速系统193

10.1 交流变频调速的基本概念193

10.1.1 交流调速系统简介193

10.1.2 交流变频调速的基本控制方式195

10.2 标量控制的变频调速系统199

10.2.1 控制输出电压的方式199

10.2.2 U/f比例控制方式201

10.2.3 转差频率控制方式203

10.3 矢量控制的调速系统205

10.3.1 基于转差频率控制的矢量控制方式206

10.3.2 无速度传感器的矢量控制方式207

10.4 脉宽调制型交流变频调速系统208

10.4.1 PWM型变频器工作原理208

10.4.2 PWM型变频调速系统的主电路211

10.4.3 PWM型变频调速系统的控制电路214

本章小结219

习题10219

第11章 复杂自控系统建模实例——两轮自平衡小车221

11.1 两轮自平衡小车简介221

11.2 两轮自平衡小车的工作原理222

11.3 倒立摆的分类及研究的意义223

11.3.1 倒立摆的分类223

11.3.2 倒立摆研究的意义224

11.4 倒立摆模型——复杂控制系统的研究方法225

11.4.1 控制理论的发展历程及系统控制的基本方法225

11.4.2 非线性系统的线性化方法225

11.5 自平衡小车的硬件组成及建模分析226

11.5.1 自平衡小车的系统结构226

11.5.2 自平衡小车系统的硬件组成及实现227

11.6 两轮自平衡小车的建模228

11.6.1 小车车体的运动分析228

11.6.2 动力学建模230

11.7 系统非线性模型的线性化232

11.7.1 基于泰勒级数的近似线性化方法求解过程232

11.7.2 对具体两轮自平衡小车的近似化线性模型234

11.8 不同的线性化模型的Matlab性能仿真比较235

11.8.1 两种模型的可控角范围比较235

11.8.2 在可控范围内的性能比较235

11.8.3 系统抗干扰能力的比较236

11.8.4 灵敏度的比较238

本章小结238

附录240

附录一 自动控制原理虚拟实验系统的开发与应用240

附录二 自动控制技术常用术语中、英文对照249

参考文献257