自動控制系統(原書第10版)（簡體書）

本書把控制理論、實際案例與計算機工具有機地結合在一起，用易於接受的方式，全面而又恰當地介紹了自動控制系統的基本知識。本書第10版還提供了控制實驗室的概念，即SIMLab和LEGOLab，這使讀者能用簡單的軟件工具處理控制系統的建模、分析、設計與仿真。這是一本完整的可用於學習和理解自動控制系統基本概念的工具書，旨在向學生傳遞控制系統的前沿研究成果，目前已被全世界上百所大學採用，是控制領域的經典著作。本版本繼承了以前版本的精華，同時提供更多的實例幫助讀者更加深刻地理解自動控制系統。

一本完整的用於學習和理解自動控制系統的工具書，旨在向讀者傳遞自動控制系統的前沿研究成果。

出版者的話
譯者序
前言
第1章　緒論1
1.1　控制系統的基本組成部分1
1.2　控制系統應用舉例2
1.2.1　智能交通系統2
1.2.2　汽車轉向控制3
1.2.3　汽車怠速控制3
1.2.4　太陽能收集器的太陽跟蹤控制3
1.3　開環控制系統（無反饋系統）5
1.4　閉環控制系統（反饋控制系統）5
1.5　反饋的含義及其作用6
1.5.1　反饋對於總增益的影響6
1.5.2　反饋對於穩定性的影響6
1.5.3　反饋對於外部干擾或噪聲的作用7
1.6　反饋控制系統的類型8
1.7　線性系統與非線性系統8
1.8　時不變與時變系統9
1.9　連續控制系統9
1.10　離散控制系統10
1.11　案例研究：基於LEGOMINDSTORMS的智能車輛避障11
1.12　小結17
第2章　動態系統的建模18
2.1　簡單機械系統的建模18
2.1.1　平移運動19
2.1.2　旋轉運動22
2.1.3　平移和旋轉運動之間的轉換26
2.1.4　齒輪系28
2.1.5　齒隙和死區（非線性特性）29
2.2　簡單電氣系統的建模30
2.2.1　無源電氣元件建模30
2.2.2　電氣網絡建模30
2.3　簡單熱系統和簡單流體系統的建模33
2.3.1　熱系統的基本屬性34
2.3.2　流體系統的基本屬性36
2.4　非線性系統的線性化42
2.5　類比44
2.6　案例研究：LEGO MINDSTORMSNXT電動機―機械建模46
2.7　小結46
參考文獻47
習題47
第3章　動態系統的微分方程求解58
3.1　微分方程介紹58
3.1.1　線性常微分方程59
3.1.2　非線性微分方程59
3.2　拉普拉斯變換60
3.2.1　拉普拉斯變換的定義60
3.2.2　拉普拉斯變換的重要定理61
3.2.3　傳遞函數61
3.2.4　特徵方程62
3.2.5　解析函數62
3.2.6　函數的極點62
3.2.7　函數的零點63
3.2.8　共軛複極點和零點64
3.2.9　終值定理65
3.3　部分分式展開的拉普拉斯逆變換65
3.4　拉普拉斯變換在線性常微分方程求解中的應用71
3.4.1　一階系統71
3.4.2　二階系統73
3.4.3　二階系統―進一步討論80
3.5　線性系統的脈衝響應和傳遞函數83
3.5.1　脈衝響應83
3.5.2　基於脈衝響應的時間響應84
3.5.3　傳遞函數（單輸入單輸出系統）85
3.6　系統的一階微分方程：狀態方程85
3.6.1　狀態變量的定義88
3.6.2　輸出方程89
3.7　線性齊次狀態方程的解92
3.7.1　傳遞函數（多變量系統）93
3.7.2　由狀態方程到特徵方程95
3.7.3　由傳遞函數到狀態方程96
3.8　MATLAB案例研究99
3.9　線性化回顧：狀態空間方法104
3.10　小結108
參考文獻108
習題109
第4章　控制框圖和信號流圖119
4.1　控制框圖119
4.1.1　控制系統中典型元件的控制框圖建模120
4.1.2　數學方程和控制框圖的關係123
4.1.3　控制框圖簡化126
4.1.4　多輸入系統的控制框圖：特殊情況―擾動系統128
4.1.5　多變量系統的控制框圖與傳遞函數129
4.2　信號流圖131
4.2.1　信號流圖代數132
4.2.2　信號流圖術語的定義133
4.2.3　信號流圖的增益公式135
4.2.4　在輸出節點與非輸入節點間增益公式的應用139
4.2.5　簡化增益公式140
4.3　狀態圖141
4.3.1　由微分方程到狀態圖141
4.3.2　由狀態圖到傳遞函數143
4.3.3　由狀態圖到狀態和輸出方程143
4.4　案例研究145
4.5　MATLAB工具箱155
4.6　小結158
參考文獻158
習題158
第5章　線性控制系統的穩定性168
5.1　穩定性介紹168
5.2　穩定性判定方法171
5.3　Routh-Hurwitz判據171
5.3.1　Routh表格172
5.3.2　Routh表格提前終止時的特殊情形173
5.4　MATLAB工具和案例分析176
5.5　小結182
參考文獻182
習題182
第6章　反饋控制系統的重要組成186
6.1　有源電氣元件的建模：運算放大器188
6.1.1　理想運算放大器188
6.1.2　和與差188
6.1.3　一階運算放大器的配置188
6.2　控制系統中的傳感器和編碼器191
6.2.1　電位計191
6.2.2　轉速計194
6.2.3　增量編碼器195
6.3　控制系統中的直流電動機197
6.3.1　直流電動機的基本操作原理198
6.3.2　永磁直流電動機的基本分類198
6.3.3　永磁直流電動機的數學模型200
6.4　直流電動機的速度控制及位置控制203
6.4.1　速度響應、自感效應和擾動：開環響應203
6.4.2　直流電動機的速度控制：閉環響應206
6.4.3　位置控制207
6.5　案例研究208
6.5.1　案例1：太陽觀測系統208
6.5.2　案例2：四分之一車輛懸掛系統210
6.6　虛擬實驗室：LEGO MINDSTORMSNXT電動機入門―建模和表徵213
6.6.1　NXT電動機213
6.6.2　電氣特性213
6.6.3　機械特性214
6.6.4　速度響應和模型驗證220
6.7　小結221
參考文獻221
習題221
第7章　控制系統的時域分析234
7.1　連續時間系統的時間響應234
7.2　評價控制系統時間響應性能的典型測試信號235
7.3　單位階躍響應和時域描述236
7.4　一階系統的時間響應237
7.5　二階系統的暫態響應240
7.5.1　阻尼比和自然頻率240
7.5.2　最大超調（0 < ζ < 1）244
7.5.3　延遲時間和上升時間（0 < ζ < 1）246
7.5.4　調節時間（5%和2%）247
7.5.5　暫態響應性能指標總結250
7.6　穩態誤差253
7.6.1　穩態誤差的定義253
7.6.2　有干擾情況下的系統穩態誤差259
7.6.3　控制系統的類型：單位反饋系統261
7.6.4　誤差常數261
7.6.5　非線性系統元件產生的穩態誤差265
7.7　基礎控制系統以及傳遞函數增加零極點帶來的影響267
7.7.1　在前向通道傳遞函數中增加一個極點：單位反饋系統267
7.7.2　在閉環傳遞函數中增加一個極點269
7.7.3　在閉環傳遞函數中增加一個零點270
7.7.4　在前向通道傳遞函數中增加一個零點：單位反饋系統271
7.7.5　增加零極點：時域響應控制272
7.8　傳遞函數的主導零極點277
7.8.1　零極點影響的總結278
7.8.2　相對阻尼比279
7.8.3　穩態響應考慮下的次要極點忽略方法279
7.9　案例研究：定位控制系統的時域分析279
7.9.1　二階系統：單位階躍暫態響應281
7.9.2　二階系統：單位階躍穩態響應284
7.9.3　三階系統的時間響應―電氣時間常數不能忽略284
7.9.4　三階系統：單位階躍暫態響應284
7.9.5　三階系統：單位階躍穩態響應287
7.10　控制實驗室：LEGO MINDSTORMS NXT電動機介紹―位置控制287
7.11　小結291
參考文獻292
習題292
第8章　狀態空間分析與控制器設計305
8.1　狀態變量分析305
8.2　控制框圖、傳遞函數和狀態控制框圖305
8.2.1　傳遞函數（多變量系統）305
8.2.2　多變量系統的控制框圖和傳遞函數306
8.3　一階微分系統的狀態方程308
8.3.1　狀態變量的定義308
8.3.2　輸出方程309
8.4　狀態方程的向量-矩陣表示310
8.5　狀態轉移矩陣312
8.5.1　狀態轉移矩陣的意義313
8.5.2　狀態轉移矩陣的性質313
8.6　狀態轉移方程314
8.7　狀態方程與高階微分方程之間的關係318
8.8　狀態方程與傳遞函數之間的關係319
8.9　特徵方程、特徵值和特徵向量321
8.9.1　由微分方程求特徵方程322
8.9.2　由傳遞函數求特徵方程322
8.9.3　由狀態方程求特徵方程322
8.9.4　特徵值323
8.9.5　特徵向量323
8.9.6　廣義特徵向量324
8.10　相似變換325
8.10.1　相似變換的不變特性326
8.10.2　相似變換前後的特徵方程、特徵值和特徵向量326
8.10.3　傳遞函數矩陣326
8.10.4　能控標準型326
8.10.5　能觀標準型328
8.10.6　對角標準型329
8.10.7　Jordan標準型330
8.11　傳遞函數分解331
8.11.1　直接分解331
8.11.2　串級分解335
8.11.3　並行分解336
8.12　控制系統的能控性337
8.12.1　能控性的概念338
8.12.2　狀態能控性的定義339
8.12.3　能控性的其他檢驗方法339
8.13　線性系統的能觀性341
8.13.1　能觀性的定義341
8.13.2　能觀性的其他檢驗方法342
8.14　能控性、能觀性和傳遞函數之間的關係342
8.15　能控性和能觀性的不變性定理344
8.16　案例研究：磁球懸浮系統345
8.17　狀態反饋控制348
8.18　通過狀態反饋進行極點配置349
8.19　帶有積分控制的狀態反饋353
8.20　MATLAB工具箱和案例學習358
8.20.1　狀態空間分析工具箱的使用和說明359
8.20.2　tfsym在狀態空間應用中的使用和說明361
8.21　案例研究：LEGO MINDSTORMS機器臂系統的位置控制361
8.22　小結366
參考文獻367
習題367
第9章　根軌跡法386
9.1　根軌跡的基本性質387
9.2　根軌跡的性質詳解389
9.2.1　K=0和K=±∞的點389
9.2.2　RL的分支數390
9.2.3　RL的對稱性390
9.2.4　RL的漸近線交角：|s|=∞處RL的行為391
9.2.5　漸近線的交點（質心）392
9.2.6　實軸上的RL395
9.2.7　RL的出射角和入射角395
9.2.8　RL與虛軸的交點398
9.2.9　RL的分離點（鞍點）398
9.2.10　RL在分離點處的入射角和出射角399
9.2.11　RL上K值的計算402
9.2.12　小結402
9.3　根靈敏度406
9.4　根軌跡設計410
9.4.1　在G(s)H(s)中增加零極點的影響410
9.4.2　在G(s)H(s)中增加極點410
9.4.3　在G(s)H(s)中增加零點412
9.5　根軌跡族：多參數變化情形415
9.6　MATLAB工具箱421
9.7　小結422
參考文獻423
習題423
第10章　頻域分析430
10.1　引言430
10.1.1　閉環系統的頻率響應437
10.1.2　頻域指標438
10.2　二階系統的諧振峰值、諧振頻率和帶寬439
10.2.1　諧振峰值和諧振頻率439
10.2.2　帶寬440
10.3　前向通道傳遞函數增加極點和零點的影響442
10.3.1　前向通道傳遞函數增加零點的影響443
10.3.2　前向通道傳遞函數增加極點的影響447
10.4　Nyquist穩定性判據：基本原理449
10.4.1　穩定性問題449
10.4.2　環繞和閉合的定義450
10.4.3　環繞和閉合的次數451
10.4.4　幅角原理451
10.4.5　Nyquist曲線455
10.4.6　Nyquist判據以及L(s)或G(s)H(s)圖455
10.5　具有最小相位傳遞函數的系統的Nyquist判據456
10.6　根軌跡和Nyquist圖的關係458
10.7　示例：最小相位傳遞函數的Nyquist判據460
10.8　增加的極點和零點對Nyquist圖的形狀的影響464
10.8.1　在s=0處加入極點464
10.8.2　增加有限個非零極點466
10.8.3　增加零點466
10.9　相對穩定性：增益裕量和相位裕量467
10.9.1　增益裕量469
10.9.2　非最小相位系統的增益裕量470
10.9.3　相位裕量470
10.10　用Bode圖進行穩定性分析472
10.11　相對穩定性與Bode圖的幅值曲線的斜率之間的關係475
10.12　用幅值-相位圖進行穩定性分析477
10.1