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上篇 自动控制原理1

第1章 自动控制的一般概念1

1.1 概述1

1.2 自动控制与自动控制系统3

1.2.1 自动控制系统的基本原理和基本概念3

1.2.2 自动控制的基本方式5

1.3 自动控制系统的分类8

1.4 对控制系统的基本要求9

1.5 本课程的基本任务10

本章小结11

习题与思考题11

第2章 自动控制系统的数学模型13

2.1 控制系统的微分方程13

2.1.1 控制系统微分方程的建立14

2.1.2 控制系统微分方程的求解15

2.2 控制系统的传递函数17

2.2.1 传递函数的定义17

2.2.2 传递函数的求取18

2.2.3 传递函数的性质19

2.3 控制系统的动态结构图19

2.3.1 动态结构图的组成与画法19

2.3.2 动态结构图的等效变换及化简21

2.4 典型环节的数学模型与典型系统的传递函数28

2.4.1 典型环节的数学模型28

2.4.2 典型系统的传递函数30

本章小结32

习题与思考题33

第3章 自动控制系统的时域分析法37

3.1 典型输入信号及其时间响应和时域性能指标37

3.1.1 典型输入信号及其时间响应37

3.1.2 单位阶跃响应的时域性能指标40

3.2 自动控制系统动态性能的时域分析41

3.2.1 一阶系统的时域分析41

3.2.2 二阶系统的时域分析43

3.3 自动控制系统稳定性的时域分析48

3.3.1 系统稳定性的基本概念48

3.3.2 控制系统稳定性的代数判据51

3.4 自动控制系统的稳态误差分析53

3.4.1 系统误差与稳态误差53

3.4.2 系统的稳态误差计算55

本章小结59

习题与思考题60

第4章 自动控制系统的频率分析法63

4.1 频率特性的基本概念63

4.1.1 频率特性的定义63

4.1.2 频率特性的表示方法65

4.2 典型环节和开环系统的频率特性70

4.2.1 典型环节的频率特性70

4.2.2 开环系统的频率特性76

4.3 自动控制系统的频率特性分析79

4.3.1 用频率特性分析系统的稳定性79

4.3.2 系统开环频率特性与系统闭环阶跃响应的关系85

本章小结88

习题与思考题88

第5章 自动控制系统的校正92

5.1 自动控制系统校正的基本概念92

5.1.1 自动控制系统校正的方式92

5.1.2 自动控制系统的性能指标93

5.1.3 线性系统的基本控制规律94

5.2 自动控制系统校正的基本方法96

5.2.1 校正装置的类型96

5.2.2 串联校正98

5.2.3 反馈校正102

5.2.4 复合校正104

5.3 自动控制系统的一般设计方法106

5.3.1 自动控制系统设计的基本步骤106

5.3.2 自动控制系统固有部分开环频率特性的确定107

5.3.3 自动控制系统预期开环对数频率特性的确定108

5.3.4 自动控制系统校正环节频率特性的确定108

5.3.5 自动控制系统校正示例108

本章小结110

习题与思考题111

第6章 MATLAB仿真软件简介112

6.1 MATLAB软件简介112

6.1.1 MATLAB概述112

6.1.2 MATLAB的安装、启动与退出113

6.2 MATLAB软件的命令窗口115

6.2.1 MATLAB命令窗口的菜单栏115

6.2.2 MATLAB命令窗口的工具栏118

6.2.3 MATLAB命令窗口的命令编辑区119

6.3 MATLAB中的命令函数和M文件120

6.4 MATLAB中的变量和语句120

6.5 MATLAB中的运算符120

6.5.1 算术运算符121

6.5.2 关系运算符122

6.5.3 逻辑运算符123

6.6 用MATLAB绘制响应曲线123

6.6.1 plot函数124

6.6.2 图形标记125

6.6.3 subplot函数126

6.6.4 多窗口绘图127

6.7 Simulink简介128

6.7.1 Simulink仿真模型的建立129

6.7.2 Simulink仿真的基本操作130

本章小结131

习题与思考题132

第7章 数学模型的MATLAB在自动控制系统中的简单应用133

7.1 数学模型的MATLAB表示133

7.1.1 有理函数形式的传递函数模型表示133

7.1.2 零极点形式的传递函数模型表示133

7.2 数学模型的MATLAB变换135

7.2.1 数学模型结构的等效变换135

7.2.2 不同模型对象间的等效变换135

7.3 动态性能的MATLAB分析136

7.3.1 闭环阶跃响应分析136

7.3.2 开环Bode图分析139

7.4 MATLAB在系统校正中的应用140

本章小结143

习题与思考题144

下篇 自动控制系统145

第8章 单闭环直流调速系统145

8.1 直流调速系统概述145

8.1.1 直流调速系统的基本概念145

8.1.2 晶闸管直流调速系统的一般概念149

8.2 单闭环直流调速系统152

8.2.1 有静差单闭环直流调速系统152

8.2.2 无静差单闭环直流调速系统155

8.2.3 其他单闭环直流调速系统156

8.2.4 直流调速系统的检测装置159

8.3 单闭环直流调速系统实例分析161

8.3.1 技术数据、技术指标和结构特点161

8.3.2 系统的定性分析161

本章小结166

习题与思考题166

第9章 转速、电流双闭环直流调速系统168

9.1 转速、电流双闭环调速系统168

9.2 双闭环调速系统的动态性能171

9.3 双闭环调速系统工程设计方法173

9.4 双闭环调速系统实例分析184

本章小结190

习题与思考题191

第10章 可逆直流调速系统194

10.1 实现可逆运行的电路194

10.1.1 电枢反接可逆线路194

10.1.2 励磁反接可逆线路195

10.1.3 电枢反接和励磁反接两种可逆调速系统性能比较196

10.1.4 可逆调速系统的四种工作状态196

10.2 可逆系统中的环流198

10.2.1 环流的利弊及种类198

10.2.2 环流的抑制措施198

10.3 自然环流可逆调速系统201

10.3.1 系统的组成特点与工作原理201

10.3.2 系统制动过程分析202

10.4 可控环流可逆调速系统206

10.4.1 系统的组成特点与工作原理207

10.4.2 可控环流大小的确定207

10.5 逻辑无环流可逆调速系统实例分析209

10.5.1 逻辑控制无环流可逆调速系统的组成209

10.5.2 逻辑控制无环流可逆调速系统的工作原理210

本章小结211

习题与思考题213

第11章 直流脉宽调速系统214

11.1 脉宽调制的基本原理214

11.1.1 脉宽调速基本原理214

11.1.2 不可逆PWM变换器215

11.1.3 可逆PWM变换器218

11.2 直流脉宽调速系统的控制电路220

11.2.1 脉冲宽度调制器221

11.2.2 延时环节222

11.2.3 基极驱动器222

11.3 直流脉宽调速系统实例分析223

本章小结224

习题与思考题225

第12章 位置随动控制系统226

12.1 概述226

12.1.1 位置随动系统的组成及工作原理226

12.1.2 位置随动系统的特点227

12.1.3 位置随动系统的基本类型227

12.2 位置的检测装置228

12.2.1 自整角机228

12.2.2 旋转变压器229

12.2.3 感应同步器231

12.2.4 光栅233

12.2.5 光电编码盘235

12.3 位置随动系统的控制方案和控制性能236

12.3.1 位置随动系统的控制方案236

12.3.2 位置随动系统的控制性能分析237

12.4 数控机床的伺服系统实例分析242

12.4.1 直流位置随动系统的组成242

12.4.2 微机与L290/1/2组成的直流位置随动系统的工作原理244

12.4.3 基于单片机8031控制的直流伺服系统246

12.5 位置随动系统的特殊问题247

本章小结250

习题与思考题250

第13章 转差功率消耗型调速系统——异步电动机调压调速系统252

13.1 概述252

13.2 调压调速系统基本概念254

13.3 调压调速系统255

13.4 利用电动机的自身结构调速259

13.5 异步电动机调压调速系统实例分析261

本章小结271

习题与思考题272

第14章 转差功率回馈型调速系统——异步电动机串级调速系统273

14.1 串级调速原理273

14.2 能量传递关系及串级调速系统分类274

14.2.1 能量传递关系274

14.2.2 串级调速系统的分类276

14.3 串级调速系统基本特性277

14.3.1 机械特性277

14.3.2 串级调速系统的功率因数278

14.3.3 串级调速系统的效率279

14.4 具有双闭环控制的串级调速系统实例分析278

14.4.1 双闭环控制的串级调速系统279

14.4.2 斩波控制串级调速系统280

14.5 双馈串级调速系统实例分析281

本章小结282

习题与思考题282

第15章 转差功率不变型调速系统——异步电动机串级调速系统283

15.1 变频调速原理283

15.2 变频调速的基本控制方式和机械特性283

15.2.1 变频调速的基本控制方式283

15.2.2 变频调速的机械特性284

15.3 变压变频装置及其基本控制方式285

15.3.1 间接变频装置（交—直—交变频装置）285

15.3.2 直接变频装置（交—交变频装置）286

15.3.3 电压源型和电流源型变压变频装置288

15.4 SPWM变压变频器288

15.4.1 基本概念288

15.4.2 SPWM逆变器的工作原理289

15.4.3 SPWM逆变器的调制方式291

15.4.4 SPWM的实现方法291

15.4.5 SPWM专用集成电路简介294

15.5 变频调速系统控制方式294

15.5.1 U/f控制294

15.5.2 转差频率控制298

15.5.3 矢量控制300

15.6 SPWM变压变频系统实例分析301

15.6.1 采用微机控制的SPWM变压变频器调速系统301

15.6.2 采用通用变频器控制的异步电动机调速系统302

15.6.3 微机控制的SPWM交流变频调速系统303

15.6.4 系统工作原理303

本章小结304

习题与思考题304

附录A 自动控制理论实验指导书305

附录B 拉普拉斯变换及线性微分方程求解319

附录C 部分习题与思考题参考答案329

参考书目347