自动控制原理（上册 第2版） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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黄家英 编

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• 自动控制原理
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• 系统分析
• 数学模型
• 传递函数
• 稳定性
• 时域分析
• 频率域分析

出版社： 高等教育出版社

ISBN：9787040295412

版次：2

商品编码：11746301

包装：平装

丛书名： 普通高等教育“十一五”国家级规划教材

开本：16开

出版时间：2010-07-01

用纸：胶版纸

页数：535

字数：840000

正文语种：中文

内容简介

　　《自动控制原理（上册 第2版）》是一套改革传统体系、将控制理论的两部分基础内容：经典控制理论与“现代”控制理论（即状态空间法基础）有机结合而编写的具有鲜明特色的新体系教材。全书从现代控制系统的本质特征（即必须在干扰和不确定性条件下可靠和有效地工作）出发展开讨论，不仅定性而且定量地分析反馈控制的作用并阐明自动控制系统的基本组成原理和构建高精度控制系统的基本思路，规范线性定常（连续与离散、单变量与多变量）系统的零极点的定义，建立统一的线性定常（连续与离散）系统理论框架和线性系统“经典”与“现代”控制理论有机结合的新体系。使读者在对比中认识“经典”与“现代”控制理论，用统一的观点建立对控制理论基础知识的总体概念，在统一的理论框架下以现代控制科学的观点和新的视角审视、理解和阐述经典控制理论的有关内容，并将线性离散系统理论放在主要地位来介绍，而在具体内容和方法上仍保持“经典”与“现代”控制理论的各自表达方式和系统性。在内容的组织上注重理论上的基础性和工程上的实用性，强调理论联系实际和系统优化意识，引人国际流行的MATLAB/Simulink软件进行控制系统的分析与设计，并增大教材的灵活性和可用性以满足不同层次、不同要求教学和读者自学的需要。《自动控制原理（上册 第2版）》符合国际控制理论教材发展趋势，体系新颖、内容系统、分析详尽、例题丰富，例题数量比第一版增加了一倍多，达370多道，可为学生的自主学习、能力培养和个性发展以及在职人员的自学创造条件，并为教师实施因材施教、按需组织教学提供灵活选择的空间。
　　全书分上、下两册。《自动控制原理（上册 第2版）》以经典控制理论为主，内容包括：绪论、线性控制系统的数学描述、线性控制系统的运动分析、根轨迹法和频率响应分析法；下册以现代控制理论为主，内容包括：频率响应综合法、线性系统的结构分析、线性控制系统的状态空间综合法、线性离散控制系统和非线性控制系统。《自动控制原理（上册 第2版）》可作为自动化类专业本科生的教材和在职人员的自学用书，也可作为相关专业的研究生教材以及有关教师和工程技术人员的参考书。

作者简介

　　黄家英，福建永春县人。1958年毕业于浙江大学电机工程系。现为四川大学自动化系教授，四川省自动化与仪器仪表学会荣誉理事，国务院特殊津贴获得者。
　　在教学研究方面，积极改革“自动控制理论”传统的教学体系，探索和构建将其两部分基础内容——线性系统的经典控制理论与现代控制理论（即状态空间法基础）有机结合的新体系。1991年出版新体系教材《自动控制原理》（上、下册）。在世纪之交，承担多项四川省教学改革与研究项目，在国内外会议和刊物上发表有关新体系论文10余篇。

内页插图

目录

第1章 绪论
1.1 引言
1.2 自动控制系统的基本形式
1.2.1 开环控制系统
1.2.2 闭环控制系统
1.2.3 智能化发展趋势
1.3 自动控制的基本方式
1.3.1 反馈控制与顺馈控制
1.3.2 复合控制
1.4 自动控制系统的基本类型
1.4.1 连续控制系统与离散控制系统
1.4.2 线性控制系统与非线性控制系统
1.4.3 定常系统与时变系统
1.4.4 恒值控制系统与随动控制系统
1.5 对自动控制系统的基本要求
1.5.1 基本要求
1.5.2 典型输入信号
1.6 历史的回顾与全书的体系结构
小结
典型例题分析
习题

第2章 线性控制系统的数学描述
2.1 引言
2.2 拉普拉斯变换
2.3 输入输出描述法
2.3.1 输入输出微分方程的建立及其求解
2.3.2 传递函数与传递函数零点和极点
2.3.3 典型环节的传递函数
2.3.4 多变量系统的传递函数阵
2.4 数学模型图示法与反馈控制系统的传递函数
2.4.1 结构图
2.4.2 信号流图与梅森增益公式
2.4.3 状态变量图
2.4.4 反馈控制系统的传递函数
2.4.5 应用MATLAB求反馈控制系统的传递函数
2.5 状态空间描述法
2.5.1 状态与状态空间
2.5.2 控制系统的状态空间表达式
2.5.3 线性定常系统状态空间表达式的建立
2.5.4 系统零极点及其与传递函数零极点的关系
2.5.5 应用MATLAB求线性定常系统的状态空间表达式
2.6 传递函数（阵）描述与状态空间描述之间的相互转换
2.6.1 由状态空间描述转换为传递函数（阵）
2.6.2 由传递函数转换为状态空间描述
2.6.3 应用MATLAB进行模型之间的相互转换和求零极点
2.7 工程控制系统数学模型的建立
2.7.1 非线性数学模型的线性化
2.7.2 典型机电控制系统的传递函数与状态空间表达式
2.7.3 典型机械系统的数学模型与相似性原理
2.7.4 典型液面控制系统的传递函数与状态空间表达式
2.7.5 热力控制系统的传递函数与状态空间表达式
小结
典型例题分析
习题

第3章 线性控制系统的运动分析
3.1 引言
3.1.1 分析的出发点与基本内容
3.1.2 线性控制系统的时间响应
3.2 线性控制系统的零输入响应
3.2.1 基于输入输出描述线性定常系统的零输入响应
3.2.2 基于状态空间描述线性定常系统的零输入响应
3.2.3 状态转移矩阵与线性时变系统的零输入响应
3.2.4 应用MATLAB求控制系统的零输入响应
3.3 线性控制系统的零状态响应
3.3.1 基于输入输出描述线性定常系统的零状态响应
3.3.2 基于状态空间描述线性系统的零状态响应
3.3.3 应用MATLAB求控制系统的零状态响应
3.4 控制系统运动的稳定性
3.4.1 内部稳定性
3.4.2 外部稳定性及其与内部稳定性之间的关系
3.4.3 劳斯-赫尔维茨稳定判据
3.4.4 李雅普诺夫第一方法
3.5 线性控制系统的暂态响应特性
3.5.1 单位阶跃响应与性能指标
3.5.2 一阶系统的暂态响应特性
3.5.3 二阶规范系统的暂态响应特性
3.5.4 添加零点对二阶规范系统暂态特性的影响
3.5.5 高阶系统的暂态响应特性
3.6 线性控制系统的稳态误差
3.6.1 跟踪稳态误差
3.6.2 扰动稳态误差
3.7 反馈控制的作用与闭环系统的基本控制律：PID控制
3.7.1 反馈控制的作用与控制系统灵敏度的分析
3.7.2 闭环控制系统的基本控制律：PID控制
小结
典型例题分析
习题

第4章 根轨迹法
4.1 引言
4.2 根轨迹的基本原理与绘制方法
4.2.1 辐角条件与幅值条件
4.2.2 根轨迹法的一般步骤
4.2.3 绘制根轨迹的基本规则
4.2.4 参数根轨迹
4.3 应用MATLAB绘制根轨迹和对系统进行分析
4.4 零度根轨迹
4.5 根轨迹族
4.6 根轨迹综合法
4.6.1 校正的基本方式
4.6.2 添加开环零极点对根轨迹形状的影响
4.6.3 校正装置
4.7 串联校正的综合
4.7.1 串联超前校正的综合
4.7.2 串联迟后校正的综合
4.7.3 串联迟后一超前校正的综合
4.8 局部反馈校正的综合
小结
典型例题分析
习题

第5章 频率响应分析法
5.1 引言
5.1.1 频率响应法的基本概念
5.1.2 频率特性的图示方法
5.1.3 频率特性与零极点的关系
5.2 典型环节的频率特性
5.2.1 比例环节的频率特性
5.2.2 积分环节与微分环节的频率特性
5.2.3 惯性环节与一阶微分环节的频率特性
5.2.4 振荡环节与二阶微分环节的频率特性
5.2.5 非最小相位环节的频率特性
5.3 控制系统频率特性图的绘制
5.3.1 控制系统对数频率特性图的绘制
5.3.2 控制系统幅相频率特性图的绘制
5.3.3 应用MATLAB绘制控制系统的频率特性图
5.4 闭环频率特性
5.4.1 应用MATLAB绘制尼科尔斯图
5.4.2 闭环频率特性的基本特点
5.5 频率特性函数的若干重要性质
5.6 奈奎斯特稳定判据
5.6.1 映射定理
5.6.2 奈奎斯特稳定判据
5.6.3 奈奎斯特稳定判据的对数坐标图形式
5.7 控制系统的稳定裕量与鲁棒性
5.8 控制系统的暂态性能与稳态性能的分析计算
5.8.1 应用频率特性计算二阶规范系统的暂态性能
5.8.2 应用频率特性估算实际控制系统的暂态性能
5.8.3 应用开环频率特性计算控制系统的稳态性能
5.9 应用频率响应实验法确定传递函数
小结
典型例题分析
习题

附录 上册部分习题参考答案
参考文献

《信号的奇妙旅程：从输入到输出的洞察》 本书将带您踏上一场探索“信号”的精彩旅程，深入理解它们如何在各种系统中传播、转换并最终达成预期的目标。我们关注的并非某个具体学科的专用技术，而是贯穿物理、工程、生物乃至经济等诸多领域的普遍原理。本书旨在揭示那些隐藏在复杂现象背后的基本规律，让我们能够更深刻地理解从简单的机械装置到庞大的人工智能系统，它们是如何运作的。 第一篇：信号的本质与描述 在旅程的开端，我们将首先关注“信号”本身。它是什么？我们如何捕捉它？又如何用数学的语言来描绘它？ 信号的定义与分类： 我们将从最基础的层面出发，理解信号的普遍概念。信号是信息的载体，它可以是随时间变化的电压、温度、声音的波形，也可以是空间上的光强分布，甚至是抽象的数字序列。我们会探讨连续信号与离散信号的区别，以及它们在不同应用中的意义。例如，一个模拟温度计显示的连续温度变化，与一个数字时钟每秒更新一次的离散时间显示，就是两种截然不同的信号表示方式。 信号的数学表示： 为了对信号进行精确的分析和处理，数学工具必不可少。我们将介绍几种描述信号的关键数学方法。 时间域分析： 这是最直观的理解信号的方式。我们学习如何通过绘制信号随时间变化的图像来观察其形态，识别其瞬时值、平均值、峰值等特性。例如，观察一个音乐波形在时间轴上的起伏，就能感受到其节奏和响度的变化。 频谱分析（频域）： 很多时候，信号的内在信息隐藏在其频率成分中。我们将介绍傅里叶变换的概念，它能将一个信号分解成一系列不同频率的正弦波的叠加。这就像将一首交响乐分解成各个乐器的声音一样。通过频谱分析，我们可以了解信号包含哪些频率成分，它们的强度如何，这对于滤波、调制解调等应用至关重要。例如，无线电通信就是基于不同频率的信号来区分不同的电台。 拉普拉斯变换与Z变换： 对于更复杂的信号和系统，特别是涉及动态过程时，拉普拉斯变换（用于连续时间系统）和Z变换（用于离散时间系统）提供了强大的分析工具。它们能够将复杂的微分方程或递推方程转化为代数方程，极大地简化了系统的分析和设计过程。这就像将一道复杂的几何题转化为代数方程来求解一样，思路更加清晰。 基本信号类型： 我们会深入研究几种在信号分析中扮演重要角色的基本信号。 阶跃信号： 描述一个状态从零突然变为一个常数的瞬间变化，例如开关灯的一瞬间。 斜坡信号： 描述一个量随时间线性增长的信号，例如匀速上升的水位。 指数信号： 描述一个量随时间呈指数规律增长或衰减的信号，例如放射性物质的衰变或存款的复利增长。 正弦信号： 这是自然界中最普遍存在的周期性信号，也是许多复杂信号的基本构成单元，如声波、电磁波等。 冲激信号（狄拉克函数）： 一个在零时刻无限大、其他时刻为零的理想化信号，用于描述瞬间作用，例如重击一下鼓面产生的短暂冲击。 第二篇：系统的特性与模型 有了对信号的深刻理解，我们便可以开始审视“系统”——那些接收信号、对其进行处理并产生输出信号的实体。 系统的定义与组成： 系统可以是一个电子电路，一个机械装置，一个生物体，甚至是一个经济模型。它们都接收输入信号，通过内部的相互作用，产生输出信号。我们将探讨系统的组成部分，例如传感器、控制器、执行器等，以及它们之间的协作关系。 系统的基本特性： 不同的系统表现出不同的特性，这些特性决定了它们如何响应输入信号。 线性与非线性： 线性系统具有叠加性（输入信号的线性组合，输出信号也是相应线性组合的叠加）和齐次性（输入信号乘以一个常数，输出信号也乘以相同的常数）。这是分析中最重要的一类系统，因为许多数学工具都建立在线性系统理论上。非线性系统则更加复杂，其行为难以用简单的数学关系来描述，但它们在现实世界中更为普遍。 时不变性与时变性： 时不变系统意味着其响应不随时间变化。也就是说，如果在某个时刻输入一个信号，得到的输出；如果在稍后的另一个时刻输入同样的信号，得到的输出应该完全相同。时变系统则会随着时间的推移而改变其特性。 因果性： 因果系统意味着其输出只取决于当前的和过去的输入，而不取决于未来的输入。这在现实世界中是普遍存在的，例如，你不能因为现在要下雨，就预测过去已经下过的雨。 稳定性： 稳定系统是指当输入信号是有界的，其输出信号也保持有界。一个不稳定的系统，即使输入很小的扰动，输出也可能变得无限大，这是需要极力避免的。 系统的数学模型： 为了定量地分析和设计系统，我们需要用数学模型来描述其行为。 微分方程与差分方程： 对于连续时间系统，我们常用微分方程来描述其动态行为，例如描述电路中电感、电容的动态响应。对于离散时间系统，则常用差分方程。 传递函数（频率域模型）： 通过拉普拉斯变换或Z变换，我们可以将描述系统的微分方程或差分方程转化为一个简洁的代数表达式，称为传递函数。传递函数用输入信号与输出信号在复频率域（s域或z域）的比值来表示，它包含了一个系统所有关于频率响应和稳定性等关键信息。例如，一个放大器的传递函数可以告诉我们它在不同频率下会如何放大信号。 状态空间模型： 这是一种更通用的系统描述方法，它将系统内部的“状态”变量引入模型，通过一组一阶微分方程（或差分方程）来描述系统动态。状态空间模型能够处理更复杂的系统，包括多输入多输出系统，并且能够直接揭示系统的内部动态行为，而不只是输入输出之间的关系。 第三篇：系统的分析与响应 了解了系统的特性和模型，我们便可以深入分析系统对不同输入信号的响应，从而评估其性能并指导设计。 暂态响应与稳态响应： 当一个系统从一个平衡状态突然接收到一个新的输入信号时，它的输出会经历一个变化的过程，这称为暂态响应。最终，系统会达到一个新的稳定状态，此时的输出称为稳态响应。我们关注这些响应的特性，例如暂态响应的速度、超调量（输出是否会超过最终值），以及稳态响应的精度。 频率响应： 系统对不同频率正弦信号的响应特性，即增益（信号被放大的倍数）和相移（信号的相位变化），我们称之为频率响应。通过分析频率响应，我们可以了解系统对不同频率成分的“偏好”程度，这对于设计滤波器（只允许特定频率通过）至关重要。 稳定性判据： 如何判断一个系统是否稳定？我们不希望系统失控，所以稳定性分析是系统设计中不可或缺的一环。我们将介绍一些重要的稳定性判据，例如根轨迹法、奈奎斯特判据、劳斯判据等。这些方法能够从系统的传递函数或其他模型参数中，推断出系统的稳定性，从而指导我们调整系统参数，使其工作在安全可靠的范围内。 系统分析工具： 除了上述数学方法，我们还将介绍一些直观的图形分析工具。 根轨迹图： 它展示了系统特征方程的根（决定系统稳定性和动态行为的关键参数）随系统增益变化而变化的轨迹。通过观察根轨迹在复平面的位置，可以直观地判断系统的稳定性以及其动态响应的特性。 波特图： 由幅频特性曲线和相频特性曲线组成，直观地展示了系统的频率响应。这使得工程师能够快速了解系统在不同频率下的表现，从而进行滤波、补偿等设计。 奈奎斯特图： 另一种用于判断系统稳定性的图形工具，它将频率响应的幅度和相位信息绘制在复平面上，通过分析其围绕(-1, 0)点的圈数来判断稳定性。 本书的目标是为您提供一套理解和分析各类动态系统的通用框架。通过掌握信号的描述方法、系统的建模技术以及分析系统的工具，您将能够更深刻地理解从简单的温度传感器到复杂的机器人手臂，再到精密的通信网络，它们是如何协同工作，实现预期的功能的。这不仅仅是关于理论知识，更是关于如何洞察和驾驭那些驱动现代世界的“信号”与“系统”。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对技术充满好奇心的业余爱好者，一直以来对各种能够让“东西动起来”的科学原理都非常着迷。接触到《自动控制原理（上册 第2版）》这本书，可以说是一次非常奇妙的体验。我之前以为控制原理会是晦涩难懂的数学理论，但这本书的叙述方式却让我眼前一亮。它从最基本的系统概念入手，比如什么是输入、什么是输出、什么是反馈，然后一步步引申出更复杂的概念，比如稳定性、暂态响应、稳态误差等等。我特别喜欢书中用一些生活中的例子来类比抽象的控制概念，比如用恒温器来解释闭环控制，用汽车油门来解释开环控制，这让我很容易就理解了这些抽象的原理。虽然有些数学推导我看得不是特别明白，但我通过书中大量的图示和文字解释，也能大致理解其逻辑。尤其是书中关于PID控制的章节，对我来说简直是打开了一扇新世界的大门。我之前对PID控制只有模糊的概念，看完这本书，我才真正理解了P、I、D三个参数分别对系统性能有什么影响，以及如何通过调整它们来达到更好的控制效果。这本书的语言非常朴实，没有太多华丽的辞藻，但每一个字都充满了智慧，让我感觉自己像是在和一个经验丰富的老师傅在交流。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对历史和哲学都很有兴趣的读者，对于各种学科的发展脉络和思想演变过程尤其关注。这次偶然读到《自动控制原理（上册 第2版）》，我发现它不仅仅是一本技术书籍，更是一部关于人类如何认识和改造世界的思想史的缩影。从书中开篇对控制概念的起源追溯，到各种控制理论的涌现和发展，我仿佛看到了人类智慧的不断迭代和升华。我特别喜欢书中在介绍不同控制方法时，会穿插一些历史背景的介绍，这让我能够理解为什么这些方法会在特定的历史时期被提出，以及它们在当时解决了什么样的问题。例如，书中关于线性系统经典控制理论的介绍，虽然是“上册”内容，但其思想的深度和广度，让我看到了早期控制理论家们如何从宏观上把握系统的整体行为。而当书中开始提及一些更现代的控制思想时，我又能感受到理论的不断突破和创新。这本书在讲解技术原理的同时，也蕴含着一种科学的哲学思考，比如关于模型的局限性、理论与实践的辩证关系等等。我从中不仅仅学到了控制的知识，更感受到了科学探索的魅力和严谨。

评分☆☆☆☆☆

作为一名软件工程师，我一直觉得“控制”这个概念离我有点遥远，直到我开始接触一些嵌入式开发项目，才发现自己对底层硬件的理解非常有限。偶然的机会，我看到了《自动控制原理（上册 第2版）》这本书，抱着学习的心态翻阅了一下。一开始，我被书中大量的数学公式和图表吓到了，毕竟我的强项是代码而不是数学。但是，当我耐心地读下去，特别是读到关于系统建模的部分，我开始意识到，原来无论是物理系统还是软件系统，都可以用数学模型来描述其行为。书中关于传递函数和零极点分析的介绍，让我对如何用数学语言来“画像”一个系统有了初步的认识。我特别关注了书中关于线性时不变（LTI）系统的分析方法，因为它在工程上应用非常广泛。书中将这些数学模型与实际的动态响应联系起来，比如如何从传递函数判断系统的响应速度和稳定性，这对我来说是非常宝贵的知识。虽然我可能不会亲自去推导这些复杂的公式，但理解其背后的思想和逻辑，能帮助我更好地理解那些控制算法，甚至在设计一些基于状态反馈的软件控制逻辑时，能有更清晰的思路。这本书就像一个桥梁，连接了我熟悉的软件世界和相对陌生的物理控制世界。

评分☆☆☆☆☆

作为一个在自动化行业摸爬滚打多年的工程师，我一直对“原理”这两个字抱有一种敬畏感。很多时候，我们在实际工作中习惯了使用现成的工具和方法，却很少去深究其背后的逻辑。这次翻阅《自动控制原理（上册 第2版）》，可以说是一次难得的“回炉再造”。我尤其对书中关于线性系统时域分析和频域分析的部分印象深刻。它不仅仅是枯燥的数学公式堆砌，而是将这些数学工具与实际系统的动态响应特性紧密结合。例如，对阻尼比、固有频率等参数的讲解，不仅仅是定义，更是解释了它们如何直接影响系统的瞬态响应速度、超调量以及稳态精度。我特别欣赏书中关于根轨迹的章节，通过一个简单的根轨迹图，就能直观地看到系统参数变化对极点位置的影响，进而预测系统性能的变化。这种可视化和直观的分析方法，对于我们理解和设计控制器至关重要。书中还详细介绍了Nyquist图、Bode图等频率响应分析方法，并给出了如何根据这些图谱来判断系统稳定性、设计补偿器的具体步骤。这些内容对于我这种需要不断优化控制系统性能的工程师来说，简直是“雪中送炭”。我甚至发现，书中一些对于经典控制问题的阐述，虽然是“上册”，但其精炼和深刻，足以解决很多我们在实际工作中遇到的复杂控制难题。

评分☆☆☆☆☆

这本书我拿到手的时候，第一感觉就是“沉甸甸”的，这不仅仅是纸张和装帧带来的实体重量，更是内容深度和广度的一种暗示。我是一名初入自动化领域的研究生，之前零散地看过一些与控制相关的资料，但总是感觉缺乏一个系统性的框架。这本书无疑填补了我的这个空白。我特别喜欢它开篇部分对系统、模型、鲁棒性等基本概念的阐述，深入浅出，让我这个初学者也能窥见控制理论的宏伟蓝图。更让我惊喜的是，它并没有停留在理论层面，而是花了相当大的篇幅去讲解如何将这些理论应用于实际的工程问题。例如，在处理稳定性问题时，书中不仅详细推导了各种判据，还结合了实际的电机控制、过程控制等案例，让我能够清晰地看到理论与实践之间的桥梁。书中对传递函数、状态空间等核心数学工具的讲解也非常细致，每一个公式的推导都力求清晰，并且提供了丰富的例子来帮助理解。有时候，我会对着书本反复推敲某个推导过程，直到完全领悟其中的精髓。这本书就像一位耐心而博学的导师，引导我一步步踏入自动控制的奇妙世界，让我从最初的懵懂无知，逐渐建立起扎实的理论基础和解决实际问题的初步能力。