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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