包邮 自动控制原理 第3版 第三版 余成波 张莲 21世纪高等学校规划教材电子信息 清华大学出版社 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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出版社： 清华大学

ISBN：9787302478027

商品编码：29730209852

书名：	自动控制原理（3版）（21世纪高等学校规划教材·电子信息）
出版社：	清华大学出版社
出版日期	2018
ISBN号：	9787302478027

本书主要介绍分析和设计反馈控制系统的经典理论和应用方法。全书共8章，内容包括自动控制系统的基本概念，自动控制系统的数学模型，自动控制系统的时域分析法、根轨迹法、频率特性法，控制系统的校正、非线性控制系统、离散控制系统的分析和综合应用等。在每章后面分别介绍了MATLAB在自动控制理论中的一些应用，以及如何利用计算机辅助设计方法解决自动控制领域的一些系统分析和设计问题。同时，各章均提供了一定数量的习题与MATLAB实验题，以帮助读者理解基本概念并掌握分析和设计方法。

本书可作为高等工科院校自动化及相关专业的教材，也可供从事自动化方面工作的科技人员学习参考。

目录

1章控制系统的基本概念

1.1引言

1.2开环控制系统与闭环控制系统

1.2.1开环控制系统

1.2.2闭环控制系统

1.3自动控制系统的组成

1.3.1基本组成部分

1.3.2自动控制系统中常用的名词术语

1.4自动控制系统的分类

1.4.1按输入信号的特点分类

1.4.2按描述系统的动态方程分类

1.4.3按系统的参数是否随时间而变化分类

1.4.4按信号的传递是否连续分类

1.5自动控制系统的应用实例

1.5.1炉温控制系统

1.5.2导弹发射架方位控制系统

1.5.3计算机控制系统

1.6自动控制理论发展简史

1.7对自动控制系统的基本要求

习题

2章自动控制系统的数学模型

2.1控制系统微分方程的建立

2.1.1机械系统

2.1.2电系统——RLC串联网络

2.1.3机电系统

2.2非线性系统微分方程的线性化

2.2.1小偏差线性化的概念

2.2.2非线性系统(元件)线性化处理举例

2.2.3系统线性化的条件及步骤

2.3传递函数

2.3.1传递函数的定义和性质

2.3.2用复数阻抗法求电网络的传递函数

2.3.3典型环节及其传递函数

2.4控制系统的结构图及其等效变换

2.4.1结构图的基本概念

《自动控制原理（第三版）》图书简介 导言 在现代科学技术日新月异的时代，自动控制技术已渗透到国民经济的各个领域，成为衡量一个国家科技实力和工业化水平的重要标志。从日常生活中触手可及的空调、洗衣机，到复杂精密的飞机导航系统、工业生产线，再到尖端的机器人、无人驾驶汽车，自动控制技术的身影无处不在。它极大地提高了生产效率，保障了产品质量，提升了生活品质，并在许多危险或不便人类直接操作的环境中发挥着不可替代的作用。 《自动控制原理》作为一门核心的工程技术课程，是机械、电子、自动化、航空航天、电气工程等众多学科的基础。它为学生系统地讲解了自动控制系统的基本概念、分析方法、设计原理以及实际应用。掌握自动控制的知识，不仅能够理解和驾驭复杂的工程系统，更能为创新性地解决工程问题奠定坚实的理论基础。 本书，《自动控制原理（第三版）》，由余成波和张莲两位资深教授倾力编著，并荣幸地纳入“21世纪高等学校规划教材”系列，由清华大学出版社隆重出版。作为一本经历了多次修订和优化的经典教材，它不仅紧随学科发展的最新前沿，更致力于将深奥复杂的自动控制理论以清晰、系统、易于理解的方式呈现给广大学子。本书旨在为读者构建一个扎实、全面的自动控制知识体系，使其能够自信地应对未来的学习与实践挑战。 本书内容概述 《自动控制原理（第三版）》在继承前两版优秀内容的基础上，紧密结合当前自动控制技术的发展趋势和高等教育人才培养的需求，对全书内容进行了精心的修订和扩充。本书结构严谨，逻辑清晰，内容详实，理论与实践相结合，是学习自动控制原理的理想选择。 第一部分：自动控制系统的基本概念与数学模型 本部分是理解后续所有内容的基础。首先，教材深入浅出地介绍了自动控制的定义、基本组成（传感器、控制器、执行器、被控对象等）、分类（开环控制与闭环控制、线性与非线性、连续与离散等）以及自动控制系统在工程中的作用和重要性。 随后，重点阐述了如何对自动控制系统进行数学描述，这是进行系统分析与设计的关键前提。教材详细讲解了以下几个方面： 传递函数（Transfer Function）：这是描述线性定常系统输入输出之间动态关系的核​​心工具。书中详细介绍了如何通过拉普拉斯变换等数学工具，从系统的微分方程推导出传递函数，并讲解了传递函数的物理意义和在系统分析中的应用。 方块图（Block Diagram）：方块图是一种直观表示系统各组成部分及其相互联系的图形化语言。本书详细讲解了如何建立系统的方块图，以及如何通过方块图的简化运算来求取系统的总传递函数，这对于复杂系统的整体理解至关重要。 信号流图（Signal Flow Graph）：与方块图类似，信号流图提供了另一种描述系统数学模型的方法。本书介绍了信号流图的基本概念、组成要素（节点、支路）以及如何应用梅逊公式（Mason's Gain Formula）来直接求取系统的传递函数，这对于一些不便用方块图处理的系统尤为有效。 系统建模方法：除了从物理定律出发建立模型，本书还介绍了其他常用的建模方法，如实验辨识法。特别地，对于一些关键的典型环节（如比例环节、积分环节、微分环节、惯性环节、振荡环节等），本书给出了其传递函数的标准形式和时域、频域特性分析，帮助读者建立对基本系统单元的深刻认识。 第二部分：线性系统时域分析 在建立了系统的数学模型之后，本部分着重于从时间域的角度来分析系统的动态性能。这是评估控制系统优劣及其稳定性的重要手段。 暂态响应（Transient Response）：这是系统在输入信号作用下，输出量从初始状态变化到最终稳定状态过程中所经历的动态过程。本书详细分析了单位阶跃响应（Unit Step Response）等典型输入信号下的暂态响应特性，并引入了若干重要的性能指标，如： 超调量（Overshoot）：输出量超过最终稳态值的部分。 调节时间（Settling Time）：输出量进入并保持在规定误差带内所需的时间。 峰值时间（Peak Time）：输出量第一次达到峰值所需的时间。 上升时间（Rise Time）：输出量从某个百分比（通常是10%）上升到另一个百分比（通常是90%）所需的时间。 响应时间（Response Time）：输出量达到最终稳态值所需的时间。 这些指标直观地反映了系统的响应速度、稳定性和快速性。 稳态误差（Steady-State Error）：在系统经过暂态过程后，输出量与期望值之间的差值。本书系统地分析了不同类型输入信号（如单位阶跃信号、单位斜坡信号、单位加速度信号）以及不同开环增益和系统类型（Type 0, Type 1, Type 2）下系统的稳态误差，并提出了消除或减小稳态误差的控制策略。 稳定性分析（Stability Analysis）：稳定性是自动控制系统最基本的要求。本书深入介绍了稳定性判据，特别是劳斯判据（Routh-Hurwitz Criterion）。通过劳斯判据，可以无需求解特征方程的根，仅根据特征方程的系数就能判断系统的稳定性，这极大地简化了稳定性分析的过程。 第三部分：线性系统频域分析 频域分析是自动控制理论中另一类非常重要的分析方法，它提供了一种从频率响应的角度来理解系统行为的视角。 频率响应（Frequency Response）：当输入信号为正弦信号时，线性定常系统的输出信号也是同频率的正弦信号，但幅值和相位会发生变化。频率响应就是描述这种幅值和相位变化随输入信号频率变化的规律。本书详细讲解了如何从传递函数中求取系统的频率响应函数。 幅相频率特性（Amplitude-Phase Frequency Characteristic）：即描述输出信号幅值与输入信号幅值之比，以及输出信号相位滞后于输入信号相位的关系，都随输入信号频率变化的曲线。 奈奎斯特图（Nyquist Plot）：这是分析系统稳定性的另一种有力工具，它通过绘制开环传递函数的频率响应曲线在复平面上的轨迹，并结合奈奎斯特稳定性判据，可以判断闭环系统的稳定性，即使系统存在时延或开环传递函数不满足某些简化条件。 伯德图（Bode Plot）：伯德图是一种更直观地展示系统频率特性的方法，它由幅频特性曲线和相频特性曲线组成，且均为对数坐标。本书详细讲解了如何绘制伯德图，以及如何从伯德图中直接读取系统的幅值裕度和相位裕度，这些裕度是衡量系统稳定性的重要指标。 增益裕度（Gain Margin）和相角裕度（Phase Margin）：这两个指标直观地反映了系统在稳定状态下的“安全性”，即系统能够承受多大的开环增益增加或相位滞后而不至于失稳。 系统稳定性的频域判据：基于奈奎斯特图和伯德图，本书详细阐述了奈奎斯特稳定性判据和对数频率的稳定性判据，这些判据在工程设计中应用广泛。 第四部分：系统根轨迹法 根轨迹法是另一种重要的系统分析和设计工具，它能够直观地展示闭环系统极点（或零极点）随某个系统参数（通常是控制器增益）变化的轨迹。 闭环系统极点：闭环系统的极点决定了系统的动态响应特性。 根轨迹（Root Locus）：本书详细讲解了绘制根轨迹的基本规则，如根轨迹的起点和终点、渐近线、分离点、交点等。通过根轨迹图，可以清晰地看到当控制器增益变化时，闭环系统的极点如何移动，从而直接影响系统的稳定性、响应速度和超调量。 根轨迹的应用：根轨迹法不仅可以用来分析系统的稳定性，还可以指导控制器参数的设计，以获得期望的动态性能。 第五部分：控制器设计 在完成了系统的分析之后，本部分将重点转向如何根据性能要求来设计控制器，以改善系统的性能。 PID控制器：比例-积分-微分（PID）控制器是工业界最常用、最成功的控制器之一。本书详细讲解了比例（P）、积分（I）、微分（D）控制各自的作用，以及如何组合它们形成PI、PD、PID控制器。书中提供了PID控制器参数整定（Tuning）的多种方法，如试凑法、齐格勒-尼科尔斯法等，使得读者能够根据实际系统特点设计出性能优良的PID控制器。 超前、滞后和超前-滞后校正：本书还介绍了如何通过引入串联或并联的校正装置（如RC电路、电感电容网络等）来改善系统的动态性能，如提高系统的响应速度、减小稳态误差、提高系统的稳定性等。这些校正装置在频域上表现为对系统频率特性的改变。 补偿器的设计：根据根轨迹法或频域分析法，设计合适的补偿器以满足给定的性能指标。 第六部分：状态空间法 随着现代控制理论的发展，状态空间法（State-Space Method）作为一种更全面、更强大的系统描述和分析工具，得到了广泛的应用。 状态变量（State Variables）：本书介绍了状态变量的概念，即描述系统内部状态所需的最小一组变量。 状态方程（State Equation）和输出方程（Output Equation）：用一组一阶线性微分方程（或代数方程）来描述系统的动态行为。 状态空间模型的建立：如何从系统的微分方程或传递函数导出其状态空间表示。 状态向量轨迹（State Vector Trajectory）：在相平面（Phase Plane）或状态空间中描述系统状态随时间的变化。 能控性（Controllability）和能观性（Observability）：这是状态空间分析中的两个重要概念，它们分别决定了系统是否能够通过控制输入而被任意地驱动到期望的状态，以及系统的内部状态是否能够被测量到的输出所完全反映。 状态反馈（State Feedback）：通过将状态变量作为反馈信号，设计新的控制律，以改善系统的性能，如使系统极点任意配置，从而达到期望的动态响应。 离散时间系统：本书还对离散时间系统的状态空间分析和设计方法进行了介绍，这对于数字控制系统的设计具有重要意义。 第七部分：数字控制系统 随着计算机技术和数字信号处理技术的发展，数字控制系统已成为自动控制领域的主流。 数字控制系统的组成：采样器、保持器、数字控制器、数字-模拟（D/A）转换器、模拟-数字（A/D）转换器等。 Z变换（Z-Transform）：Z变换是分析离散时间系统的数学工具，它类似于拉普拉斯变换在连续时间系统中的作用。本书详细讲解了Z变换的性质和应用。 脉冲传递函数（Pulse Transfer Function）：描述离散时间系统输入输出关系的传递函数。 离散系统稳定性分析：如单位圆判据等。 数字控制器设计：基于Z变换和脉冲传递函数，设计数字PID控制器以及其他类型的数字控制器。 第八部分：非线性系统与现代控制 非线性系统：除了线性系统，本书也对一些常见的非线性系统（如继电器系统、饱和系统）进行了初步的介绍，并简要阐述了其分析方法（如相平面法）。 现代控制理论：包括最优控制、自适应控制、鲁棒控制等前沿领域，本书将对这些领域做一些初步的介绍，以帮助读者了解自动控制技术的最新发展方向。 本书特点 1. 内容全面系统：本书涵盖了自动控制原理的核心内容，从基础概念到先进理论，为读者构建了一个完整的知识框架。 2. 理论与实践相结合：书中不仅讲解了深厚的理论知识，还通过大量的算例和实例，展示了自动控制原理在实际工程中的应用，帮助读者将理论知识转化为解决实际问题的能力。 3. 数学工具应用清晰：书中对拉普拉斯变换、Z变换、梅逊公式、奈奎斯特判据、劳斯判据、根轨迹等数学工具的应用进行了详细的讲解和演示，使读者能够熟练运用这些工具进行系统分析与设计。 4. 结构逻辑清晰：全书按照由浅入深、循序渐进的原则进行组织，各章节之间逻辑紧密，便于读者理解和掌握。 5. 紧跟学科前沿：第三版教材在内容上进行了更新和优化，增加了对现代控制理论和数字控制系统等内容的比重，使其更符合当前学科发展的趋势和教学需求。 6. “21世纪高等学校规划教材”：作为国家级规划教材，本书的权威性和学术价值得到充分保证，是广大高校师生学习和教学的可靠资源。 目标读者 本书适用于高等院校自动化、电气工程、机械工程、电子工程、航空航天工程、计算机科学与技术等相关专业的本科生和研究生。同时，也适合从事自动控制相关领域研究和工程设计的技术人员参考阅读。 结语 《自动控制原理（第三版）》是一本集理论性、系统性、实用性于一体的优秀教材。通过本书的学习，读者将能够深刻理解自动控制系统的基本原理，掌握分析和设计控制系统的各种方法，为未来在工程技术领域取得更大的成就打下坚实的基础。无论是初学者还是希望深化理论知识的专业人士，都能从中获益匪浅。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对历史沿革感兴趣的学习者，我非常看重教材能否体现学科发展的脉络。这本第三版在继承经典理论（如经典控制理论的核心内容）的同时，很大胆地引入了适应当前技术需求的现代内容。我注意到，相比于老版本，这一版明显加强了数字控制和系统辨识的内容。在如今所有控制系统都高度依赖数字化实现的背景下，从连续时间系统到离散时间系统的转换、Z变换的应用以及有限字长效应的讨论，都是至关重要的。余成波和张莲教授显然对当前工业界和学术界的前沿动态保持着高度的敏感性。他们并没有简单地把数字控制当作经典控制的“附属品”，而是将其视为现代控制工程的核心组成部分进行深入阐述。这种与时俱进的编辑策略，保证了这本书在未来几年内依然能为读者提供最相关、最实用的知识框架，避免了许多老教材因理论滞后而迅速贬值的命运。

评分☆☆☆☆☆

这本《自动控制原理》第三版，真是让人爱不释手，尤其是对于像我这样在校深造的学生来说，简直是“及时雨”。余成波和张莲两位教授的讲解风格，清晰又不失深度。我记得我刚开始接触这门课的时候，对传递函数、闭环系统这些概念简直是一头雾水，感觉就像在迷宫里打转。但是，翻开这本书，那种系统性的梳理和由浅入深的推导过程，一下子就把脉络打通了。它不仅仅是罗列公式，更重要的是解释了背后的物理意义和工程直觉。举个例子，书里讲解根轨迹法时，不仅仅给了画图的规则，还深入剖析了不同参数变化对系统稳定性和瞬态响应的影响，这一点对我理解如何设计控制器至关重要。而且，教材里配的习题难度设置也相当合理，从基础的概念理解到复杂的工程应用问题都有涵盖，做完一遍下来，基本功算是扎实了许多。清华大学出版社的排版质量一如既往地高水准，图表清晰，公式推导完整，即便是面对复杂的矩阵运算，也能保持阅读的顺畅性，极大地提升了学习体验。这本书作为21世纪高等学校规划教材，确实体现了前沿性和实用性的完美结合，绝对是自学和课堂教学的绝佳伴侣。

评分☆☆☆☆☆

坦白讲，初次拿到这本书时，我有些担心它的“规划教材”身份会不会让内容变得过于保守或过于基础。但实际阅读体验完全打消了我的疑虑。这本书的理论深度非常扎实，尤其是在处理非线性系统和最优控制等高级主题时，展现出了不俗的功力。我最喜欢的部分是它对“控制”这个概念的哲学定义和边界探讨。它不只是教你“如何做控制”，更是在引导你思考“为什么需要控制”以及“控制的极限在哪里”。例如，在讨论模型预测控制（MPC）的原理时，书中对滚动时域、约束处理的阐述，简洁而精确，即使是初次接触MPC的读者也能迅速把握其核心思想。此外，清华大学出版社的这次排版，字体选择和行间距都非常适宜长时间阅读，这对于需要啃下大量复杂理论的理工科学生来说，是一个巨大的加分项，极大地降低了阅读疲劳感，让学习过程变得更加专注和高效。

评分☆☆☆☆☆

这本书的编排逻辑简直是教科书级别的典范，结构紧凑，但又留有足够的思考空间。我是一个对细节比较挑剔的读者，通常一本厚厚的教材里总会有一些地方让我感到晦涩难懂或者上下文跳跃。然而，这第三版在章节衔接上做得非常流畅。比如，在讲解频率响应分析法（Bode图和Nyquist图）之前，作者巧妙地回顾了拉普拉斯变换和传递函数，确保读者带着清晰的频域概念进入下一阶段的学习。更令人称道的是，它对控制系统设计中的“权衡”（Trade-off）问题进行了深刻的剖析。在控制工程中，几乎所有的设计决策都是在瞬态响应、稳态精度和系统鲁棒性之间寻求平衡。这本书没有给出“万能公式”，而是通过详尽的分析，引导读者理解为什么在某些场景下，牺牲一点稳态误差是为了换取更高的抗干扰能力。这种哲学层面的引导，对于培养工程师的系统思维能力，比单纯的计算技巧传授要重要得多。

评分☆☆☆☆☆

我必须说，这本书的价值远远超出了其作为一本教材的定位，它更像是一本详尽的“工程实践指南”。我个人是从业人员，在实际的工业自动化项目中，经常会遇到各种非线性和时滞系统的问题。很多理论书籍在讲解这些复杂情况时往往一带而过，但《自动控制原理》第三版在这方面处理得非常到位。它没有停留在经典的PID控制层面，而是花了大量篇幅去介绍现代控制理论，比如状态空间法，这对于处理多输入多输出（MIMO）系统尤其关键。我特别欣赏作者们在案例分析中体现出来的严谨态度，他们不仅展示了理论模型如何建立，还讨论了模型简化过程中可能引入的误差，以及如何通过鲁棒性设计来应对这些不确定性。例如，在讲到李雅普诺夫稳定性分析时，书中给出的例子非常贴合实际，让我能将抽象的数学工具与具体的机械或电子系统的稳定性联系起来。这种理论与实践的无缝对接，使得这本书成为了我工作台上的“常备工具书”，随时可以翻阅查阅，确认某个设计思路的合理性。