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第1篇 自动控制原理第1章 自动控制系统概述1

1.1 引言1

1.2　开环控制和闭环控制2

1.2.1　开环控制系统2

1.2.2　闭环控制系统3

1.3 自动控制系统的组成5

1.4 自动控制系统的分类9

1.4.1　按输入量变化的规律分类9

1.4.2　按系统传输信号对时间的关系分类10

1.4.3 按系统的输出量和输入量间的关系分类10

1.4.4　按系统中的参数对时间的变化情况分类10

1.5 自动控制系统的性能指标11

1.5.1　系统的稳定性11

1.5.2　系统的稳态性能指标11

1.5.3　系统的动态性能指标12

1.6　研究自动控制系统的方法13

小结14

思考题14

习题15

第2章　拉普拉斯变换及其应用18

2.1　拉氏变换的概念18

2.2　拉氏变换的运算定理21

2.3　拉氏反变换22

2.4　应用拉氏变换求解微分方程22

小结24

习题24

第3章 自动控制系统的数学模型25

3.1　系统的微分方程25

3.1.1　系统微分方程式的建立25

3.1.2　微分方程建立举例26

3.2　传递函数27

3.2.1　传递函数的定义28

3.2.2　传递函数的一般表达式28

3.2.3　传递函数的性质29

3.3　系统框图（结构图）29

3.4　典型环节的传递函数和功能框30

3.4.1 比例环节30

3.4.2　积分环节31

3.4.3　理想微分环节34

3.4.4　惯性环节34

3.4.5　比例微分环节37

3.4.6　振荡环节37

3.4.7　延迟环节39

3.4.8　运算放大器41

3.5 自动控制系统的框图42

3.5.1 系统框图的画法42

3.5.2　系统框图的物理含义44

3.6　框图的变换、化简和系统闭环传递函数的求取44

3.6.1　框图的等效变换规则44

3.6.2　自动控制系统闭环传递函数的求取48

3.6.3 交叉反馈系统框图的化简及其闭环传递函数的求取50

小结52

思考题53

习题54

第4章　分析自动控制系统性能常用的方法56

4.1　时域分析法56

4.2　频率特性法60

4.2.1　频率特性的基本概念60

4.2.2　频率特性的表示方式62

4.2.3　典型环节的对数频率特性66

4.2.4　系统的开环对数频率特性72

4.2.5　系统的闭环频率特性78

4.3　MATLAB软件在系统性能分析中的应用80

4.3.1 MATLAB的安装与启动80

4.3.2 MATLAB指令窗81

4.3.3　MATLAB中的数值表示、变量命名、运算符号和表达式82

4.3.4　应用MATLAB进行数值运算83

4.3.5　应用MATLAB绘制二维图线84

4.3.6 应用MATLAB处理传递函数的变换85

4.3.7 应用MATLAB求取输出量对时间的响应86

4.3.8 SIMULINK仿真软件及其应用87

小结93

思考题96

习题96

第5章 自动控制系统的性能分析98

5.1 自动控制系统的稳定性分析98

5.1.1　系统稳定性概念98

5.1.2　系统稳定的充要条件99

5.1.3　奈氏稳定判据和对数频率判据103

5.1.4　稳定裕量与系统相对稳定性104

5.1.5 自动控制系统的稳定性分析举例105

5.2 自动控制系统的稳态性能分析112

5.2.1 系统稳态误差的概念112

5.2.2　系统稳态误差与系统型别、系统开环增益间的关系114

5.2.3 系统稳态误差与输入信号间的关系115

5.2.4 由系统的开环对数频率特性去分析系统的稳态性能117

5.2.5 自动控制系统稳态性能分析举例118

5.3 自动控制系统的动态性能分析121

5.3.1 系统跟随动态指标的求取及分析121

5.3.2　跟随动态性能分析126

5.3.3 系统动态性能与开环频率特性间的关系127

5.4　系统分析举例——水位控制系统129

小结131

思考题133

习题134

第6章 自动控制系统的校正（改善系统性能的途径）137

6.1 校正装置137

6.1.1　无源校正装置137

6.1.2　有源校正装置138

6.2 串联校正141

6.2.1 比例（P）校正141

6.2.2　比例-微分（PD）校正（相位超前校正）143

6.2.3　比例-积分（PI）校正（相位滞后校正）145

6.2.4　比例-积分-微分（PID）校正（相位滞后-超前校正）149

6.3　反馈校正153

6.4　顺馈补偿158

6.4.1　扰动顺馈补偿159

6.4.2　输入顺馈补偿159

6.4.3　顺馈补偿应用举例160

小结162

思考题163

习题163

第2篇 自动控制系统第7章　直流调速系统165

7.1 转速负反馈晶闸管直流调速系统165

7.1.1　系统的组成165

7.1.2　系统的框图169

7.1.3　系统的自动调节过程169

7.1.4　系统的性能分析171

7.2　小功率有静差直流调速系统实例分析（阅读材料）173

7.2.1　系统结构特点和技术数据173

7.2.2　定性分析173

7.2.3　系统框图178

7.2.4　系统的自动调节过程178

7.2.5　系统性能分析179

7.3　速度和电流双闭环直流调速系统179

7.3.1 双闭环直流调速系统的组成180

7.3.2　系统框图181

7.3.3　双闭环直流调速系统的工作原理和自动调节过程183

7.3.4　系统性能分析184

7.3.5 双闭环直流调速系统的优点186

7.3.6　给定积分器的应用186

7.3.7　调节器的实用线路（阅读材料）187

7.4 双极晶体管脉宽调制控制的直流调速系统189

7.4.1　双极晶体管（BJT）—脉宽调制（PWM）型直流调压电路189

7.4.2 由专用集成电路控制的BJT-PWM直流调速系统193

7.4.3　BJT-PWM控制系统的特点198

7.5 晶闸管可逆直流调速系统199

7.5.1 可逆直流调速电路的几种形式199

7.5.2　可逆拖动的四种工作状态201

7.5.3 逻辑控制的无环流可逆直流调速系统203

7.6　转速、电流双闭环数字式直流调速系统206

7.6.1 数字式直流调速系统的组成206

7.6.2　数字式直流调速系统的软件功能206

7.6.3　数字式直流调速系统的硬性组成207

7.6.4　数字式与模拟式直流调速系统的比较209

小结210

思考题212

习题213

读图练习213

第8章　交流调速系统218

8.1　绝缘栅双极晶体管（IGBT）——正弦脉宽调制（SPWM）型交流变频电路218

8.1.1　绝缘栅双极晶体管（IGBT）及其驱动、保护电路218

8.1.2　二极管整流器—IGBT逆变器构成的交—直—交变压变频电路219

8.2　交流调速的基本方案与变压变频的基本控制方式223

8.2.1　交流调速的基本方案223

8.2.2　变压变频调速的基本控制方式223

8.3 模拟式IGBT—SPWM—VVVF交流调速系统225

8.4 微机控制的IGBT—SPWM—VVVF交流调速系统简介227

8.5 矢量控制的交流变频调速系统简介228

8.5.1　三相交流电机（绕组）和直流电机（绕组）物理模型的等效变换228

8.5.2　矢量控制的基本思路229

8.5.3　异步电动机矢量控制变频调速系统的框架结构229

8.6　直接转矩控制交流变频调速装置实例（阅读材料）231

8.7　通用变频器232

8.7.1　通用变频器的功能232

8.7.2　通用变频器的结构232

8.7.3　通用变频器的使用233

小结235

思考题236

习题237

读图练习238

第9章　位置随动系统240

9.1　位置随动系统概述240

9.1.1　位置随动系统的组成240

9.1.2　位置随动系统的特点241

9.2　位置随动系统的主要部件241

9.2.1　线位移检测元件（感应同步器）241

9.2.2　角位移检测元件243

9.2.3　直流伺服电动机的基本结构、工作原理与工作特性244

9.2.4　交流伺服电动机的基本结构、工作原理和工作特性246

9.3 位置随动系统的组成和工作原理248

9.3.1　系统的组成248

9.3.2　系统的组成框图250

9.3.3　系统的工作原理251

9.3.4　系统框图252

9.4　位置随动系统性能分析252

9.4.1　系统稳态性能分析252

9.4.2　系统稳定性分析253

9.4.3　系统动态性能分析253

9.5　位置随动系统实例读图分析（阅读材料）254

9.5.1　系统的组成254

9.5.2　专用集成控制芯片的工作原理255

9.5.3　微机控制的、由L290/1/2芯片组成的直流位置随动系统的工作原理257

小结258

思考题258

习题259

读图练习259

第10章 自动控制系统的分析、调试与故障的排除262

10.1 自动控制系统的分析步骤262

10.1.1 了解工作对象对系统的要求262

10.1.2 搞清系统各单元的工作原理263

10.1.3 搞清整个系统的工作原理265

10.2 自动控制系统的调试方法265

10.2.1 系统调试前的准备工作265

10.2.2 制订调试大纲的原则266

10.2.3 系统调试过程267

10.2.4 由专用的（或通用的）控制器驱动的自动控制系统的调试269

10.3 自动控制系统的维护、使用和故障的排除269

10.3.1 系统的维护和使用270

10.3.2 系统故障的检查与排除271

小结273

思考题273

习题273

附录275

附录A 常用文字符号275

附录B 自动控制技术术语的中、英名词对照278

参考文献287