包郵 自動控製原理 第3版 第三版 餘成波 張蓮 21世紀高等學校規劃教材電子信息 清華大學齣版社 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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齣版社： 清華大學

ISBN：9787302478027

商品編碼：29730209852

書名：	自動控製原理（3版）（21世紀高等學校規劃教材·電子信息）
齣版社：	清華大學齣版社
齣版日期	2018
ISBN號：	9787302478027

本書主要介紹分析和設計反饋控製係統的經典理論和應用方法。全書共8章，內容包括自動控製係統的基本概念，自動控製係統的數學模型，自動控製係統的時域分析法、根軌跡法、頻率特性法，控製係統的校正、非綫性控製係統、離散控製係統的分析和綜閤應用等。在每章後麵分彆介紹瞭MATLAB在自動控製理論中的一些應用，以及如何利用計算機輔助設計方法解決自動控製領域的一些係統分析和設計問題。同時，各章均提供瞭一定數量的習題與MATLAB實驗題，以幫助讀者理解基本概念並掌握分析和設計方法。

本書可作為高等工科院校自動化及相關專業的教材，也可供從事自動化方麵工作的科技人員學習參考。

目錄

1章控製係統的基本概念

1.1引言

1.2開環控製係統與閉環控製係統

1.2.1開環控製係統

1.2.2閉環控製係統

1.3自動控製係統的組成

1.3.1基本組成部分

1.3.2自動控製係統中常用的名詞術語

1.4自動控製係統的分類

1.4.1按輸入信號的特點分類

1.4.2按描述係統的動態方程分類

1.4.3按係統的參數是否隨時間而變化分類

1.4.4按信號的傳遞是否連續分類

1.5自動控製係統的應用實例

1.5.1爐溫控製係統

1.5.2導彈發射架方位控製係統

1.5.3計算機控製係統

1.6自動控製理論發展簡史

1.7對自動控製係統的基本要求

習題

2章自動控製係統的數學模型

2.1控製係統微分方程的建立

2.1.1機械係統

2.1.2電係統——RLC串聯網絡

2.1.3機電係統

2.2非綫性係統微分方程的綫性化

2.2.1小偏差綫性化的概念

2.2.2非綫性係統(元件)綫性化處理舉例

2.2.3係統綫性化的條件及步驟

2.3傳遞函數

2.3.1傳遞函數的定義和性質

2.3.2用復數阻抗法求電網絡的傳遞函數

2.3.3典型環節及其傳遞函數

2.4控製係統的結構圖及其等效變換

2.4.1結構圖的基本概念

《自動控製原理（第三版）》圖書簡介 導言 在現代科學技術日新月異的時代，自動控製技術已滲透到國民經濟的各個領域，成為衡量一個國傢科技實力和工業化水平的重要標誌。從日常生活中觸手可及的空調、洗衣機，到復雜精密的飛機導航係統、工業生産綫，再到尖端的機器人、無人駕駛汽車，自動控製技術的身影無處不在。它極大地提高瞭生産效率，保障瞭産品質量，提升瞭生活品質，並在許多危險或不便人類直接操作的環境中發揮著不可替代的作用。 《自動控製原理》作為一門核心的工程技術課程，是機械、電子、自動化、航空航天、電氣工程等眾多學科的基礎。它為學生係統地講解瞭自動控製係統的基本概念、分析方法、設計原理以及實際應用。掌握自動控製的知識，不僅能夠理解和駕馭復雜的工程係統，更能為創新性地解決工程問題奠定堅實的理論基礎。 本書，《自動控製原理（第三版）》，由餘成波和張蓮兩位資深教授傾力編著，並榮幸地納入“21世紀高等學校規劃教材”係列，由清華大學齣版社隆重齣版。作為一本經曆瞭多次修訂和優化的經典教材，它不僅緊隨學科發展的最新前沿，更緻力於將深奧復雜的自動控製理論以清晰、係統、易於理解的方式呈現給廣大學子。本書旨在為讀者構建一個紮實、全麵的自動控製知識體係，使其能夠自信地應對未來的學習與實踐挑戰。 本書內容概述 《自動控製原理（第三版）》在繼承前兩版優秀內容的基礎上，緊密結閤當前自動控製技術的發展趨勢和高等教育人纔培養的需求，對全書內容進行瞭精心的修訂和擴充。本書結構嚴謹，邏輯清晰，內容詳實，理論與實踐相結閤，是學習自動控製原理的理想選擇。 第一部分：自動控製係統的基本概念與數學模型 本部分是理解後續所有內容的基礎。首先，教材深入淺齣地介紹瞭自動控製的定義、基本組成（傳感器、控製器、執行器、被控對象等）、分類（開環控製與閉環控製、綫性與非綫性、連續與離散等）以及自動控製係統在工程中的作用和重要性。 隨後，重點闡述瞭如何對自動控製係統進行數學描述，這是進行係統分析與設計的關鍵前提。教材詳細講解瞭以下幾個方麵： 傳遞函數（Transfer Function）：這是描述綫性定常係統輸入輸齣之間動態關係的核​​心工具。書中詳細介紹瞭如何通過拉普拉斯變換等數學工具，從係統的微分方程推導齣傳遞函數，並講解瞭傳遞函數的物理意義和在係統分析中的應用。 方塊圖（Block Diagram）：方塊圖是一種直觀錶示係統各組成部分及其相互聯係的圖形化語言。本書詳細講解瞭如何建立係統的方塊圖，以及如何通過方塊圖的簡化運算來求取係統的總傳遞函數，這對於復雜係統的整體理解至關重要。 信號流圖（Signal Flow Graph）：與方塊圖類似，信號流圖提供瞭另一種描述係統數學模型的方法。本書介紹瞭信號流圖的基本概念、組成要素（節點、支路）以及如何應用梅遜公式（Mason's Gain Formula）來直接求取係統的傳遞函數，這對於一些不便用方塊圖處理的係統尤為有效。 係統建模方法：除瞭從物理定律齣發建立模型，本書還介紹瞭其他常用的建模方法，如實驗辨識法。特彆地，對於一些關鍵的典型環節（如比例環節、積分環節、微分環節、慣性環節、振蕩環節等），本書給齣瞭其傳遞函數的標準形式和時域、頻域特性分析，幫助讀者建立對基本係統單元的深刻認識。 第二部分：綫性係統時域分析 在建立瞭係統的數學模型之後，本部分著重於從時間域的角度來分析係統的動態性能。這是評估控製係統優劣及其穩定性的重要手段。 暫態響應（Transient Response）：這是係統在輸入信號作用下，輸齣量從初始狀態變化到最終穩定狀態過程中所經曆的動態過程。本書詳細分析瞭單位階躍響應（Unit Step Response）等典型輸入信號下的暫態響應特性，並引入瞭若乾重要的性能指標，如： 超調量（Overshoot）：輸齣量超過最終穩態值的部分。 調節時間（Settling Time）：輸齣量進入並保持在規定誤差帶內所需的時間。 峰值時間（Peak Time）：輸齣量第一次達到峰值所需的時間。 上升時間（Rise Time）：輸齣量從某個百分比（通常是10%）上升到另一個百分比（通常是90%）所需的時間。 響應時間（Response Time）：輸齣量達到最終穩態值所需的時間。 這些指標直觀地反映瞭係統的響應速度、穩定性和快速性。 穩態誤差（Steady-State Error）：在係統經過暫態過程後，輸齣量與期望值之間的差值。本書係統地分析瞭不同類型輸入信號（如單位階躍信號、單位斜坡信號、單位加速度信號）以及不同開環增益和係統類型（Type 0, Type 1, Type 2）下係統的穩態誤差，並提齣瞭消除或減小穩態誤差的控製策略。 穩定性分析（Stability Analysis）：穩定性是自動控製係統最基本的要求。本書深入介紹瞭穩定性判據，特彆是勞斯判據（Routh-Hurwitz Criterion）。通過勞斯判據，可以無需求解特徵方程的根，僅根據特徵方程的係數就能判斷係統的穩定性，這極大地簡化瞭穩定性分析的過程。 第三部分：綫性係統頻域分析 頻域分析是自動控製理論中另一類非常重要的分析方法，它提供瞭一種從頻率響應的角度來理解係統行為的視角。 頻率響應（Frequency Response）：當輸入信號為正弦信號時，綫性定常係統的輸齣信號也是同頻率的正弦信號，但幅值和相位會發生變化。頻率響應就是描述這種幅值和相位變化隨輸入信號頻率變化的規律。本書詳細講解瞭如何從傳遞函數中求取係統的頻率響應函數。 幅相頻率特性（Amplitude-Phase Frequency Characteristic）：即描述輸齣信號幅值與輸入信號幅值之比，以及輸齣信號相位滯後於輸入信號相位的關係，都隨輸入信號頻率變化的麯綫。 奈奎斯特圖（Nyquist Plot）：這是分析係統穩定性的另一種有力工具，它通過繪製開環傳遞函數的頻率響應麯綫在復平麵上的軌跡，並結閤奈奎斯特穩定性判據，可以判斷閉環係統的穩定性，即使係統存在時延或開環傳遞函數不滿足某些簡化條件。 伯德圖（Bode Plot）：伯德圖是一種更直觀地展示係統頻率特性的方法，它由幅頻特性麯綫和相頻特性麯綫組成，且均為對數坐標。本書詳細講解瞭如何繪製伯德圖，以及如何從伯德圖中直接讀取係統的幅值裕度和相位裕度，這些裕度是衡量係統穩定性的重要指標。 增益裕度（Gain Margin）和相角裕度（Phase Margin）：這兩個指標直觀地反映瞭係統在穩定狀態下的“安全性”，即係統能夠承受多大的開環增益增加或相位滯後而不至於失穩。 係統穩定性的頻域判據：基於奈奎斯特圖和伯德圖，本書詳細闡述瞭奈奎斯特穩定性判據和對數頻率的穩定性判據，這些判據在工程設計中應用廣泛。 第四部分：係統根軌跡法 根軌跡法是另一種重要的係統分析和設計工具，它能夠直觀地展示閉環係統極點（或零極點）隨某個係統參數（通常是控製器增益）變化的軌跡。 閉環係統極點：閉環係統的極點決定瞭係統的動態響應特性。 根軌跡（Root Locus）：本書詳細講解瞭繪製根軌跡的基本規則，如根軌跡的起點和終點、漸近綫、分離點、交點等。通過根軌跡圖，可以清晰地看到當控製器增益變化時，閉環係統的極點如何移動，從而直接影響係統的穩定性、響應速度和超調量。 根軌跡的應用：根軌跡法不僅可以用來分析係統的穩定性，還可以指導控製器參數的設計，以獲得期望的動態性能。 第五部分：控製器設計 在完成瞭係統的分析之後，本部分將重點轉嚮如何根據性能要求來設計控製器，以改善係統的性能。 PID控製器：比例-積分-微分（PID）控製器是工業界最常用、最成功的控製器之一。本書詳細講解瞭比例（P）、積分（I）、微分（D）控製各自的作用，以及如何組閤它們形成PI、PD、PID控製器。書中提供瞭PID控製器參數整定（Tuning）的多種方法，如試湊法、齊格勒-尼科爾斯法等，使得讀者能夠根據實際係統特點設計齣性能優良的PID控製器。 超前、滯後和超前-滯後校正：本書還介紹瞭如何通過引入串聯或並聯的校正裝置（如RC電路、電感電容網絡等）來改善係統的動態性能，如提高係統的響應速度、減小穩態誤差、提高係統的穩定性等。這些校正裝置在頻域上錶現為對係統頻率特性的改變。 補償器的設計：根據根軌跡法或頻域分析法，設計閤適的補償器以滿足給定的性能指標。 第六部分：狀態空間法 隨著現代控製理論的發展，狀態空間法（State-Space Method）作為一種更全麵、更強大的係統描述和分析工具，得到瞭廣泛的應用。 狀態變量（State Variables）：本書介紹瞭狀態變量的概念，即描述係統內部狀態所需的最小一組變量。 狀態方程（State Equation）和輸齣方程（Output Equation）：用一組一階綫性微分方程（或代數方程）來描述係統的動態行為。 狀態空間模型的建立：如何從係統的微分方程或傳遞函數導齣其狀態空間錶示。 狀態嚮量軌跡（State Vector Trajectory）：在相平麵（Phase Plane）或狀態空間中描述係統狀態隨時間的變化。 能控性（Controllability）和能觀性（Observability）：這是狀態空間分析中的兩個重要概念，它們分彆決定瞭係統是否能夠通過控製輸入而被任意地驅動到期望的狀態，以及係統的內部狀態是否能夠被測量到的輸齣所完全反映。 狀態反饋（State Feedback）：通過將狀態變量作為反饋信號，設計新的控製律，以改善係統的性能，如使係統極點任意配置，從而達到期望的動態響應。 離散時間係統：本書還對離散時間係統的狀態空間分析和設計方法進行瞭介紹，這對於數字控製係統的設計具有重要意義。 第七部分：數字控製係統 隨著計算機技術和數字信號處理技術的發展，數字控製係統已成為自動控製領域的主流。 數字控製係統的組成：采樣器、保持器、數字控製器、數字-模擬（D/A）轉換器、模擬-數字（A/D）轉換器等。 Z變換（Z-Transform）：Z變換是分析離散時間係統的數學工具，它類似於拉普拉斯變換在連續時間係統中的作用。本書詳細講解瞭Z變換的性質和應用。 脈衝傳遞函數（Pulse Transfer Function）：描述離散時間係統輸入輸齣關係的傳遞函數。 離散係統穩定性分析：如單位圓判據等。 數字控製器設計：基於Z變換和脈衝傳遞函數，設計數字PID控製器以及其他類型的數字控製器。 第八部分：非綫性係統與現代控製 非綫性係統：除瞭綫性係統，本書也對一些常見的非綫性係統（如繼電器係統、飽和係統）進行瞭初步的介紹，並簡要闡述瞭其分析方法（如相平麵法）。 現代控製理論：包括最優控製、自適應控製、魯棒控製等前沿領域，本書將對這些領域做一些初步的介紹，以幫助讀者瞭解自動控製技術的最新發展方嚮。 本書特點 1. 內容全麵係統：本書涵蓋瞭自動控製原理的核心內容，從基礎概念到先進理論，為讀者構建瞭一個完整的知識框架。 2. 理論與實踐相結閤：書中不僅講解瞭深厚的理論知識，還通過大量的算例和實例，展示瞭自動控製原理在實際工程中的應用，幫助讀者將理論知識轉化為解決實際問題的能力。 3. 數學工具應用清晰：書中對拉普拉斯變換、Z變換、梅遜公式、奈奎斯特判據、勞斯判據、根軌跡等數學工具的應用進行瞭詳細的講解和演示，使讀者能夠熟練運用這些工具進行係統分析與設計。 4. 結構邏輯清晰：全書按照由淺入深、循序漸進的原則進行組織，各章節之間邏輯緊密，便於讀者理解和掌握。 5. 緊跟學科前沿：第三版教材在內容上進行瞭更新和優化，增加瞭對現代控製理論和數字控製係統等內容的比重，使其更符閤當前學科發展的趨勢和教學需求。 6. “21世紀高等學校規劃教材”：作為國傢級規劃教材，本書的權威性和學術價值得到充分保證，是廣大高校師生學習和教學的可靠資源。 目標讀者 本書適用於高等院校自動化、電氣工程、機械工程、電子工程、航空航天工程、計算機科學與技術等相關專業的本科生和研究生。同時，也適閤從事自動控製相關領域研究和工程設計的技術人員參考閱讀。 結語 《自動控製原理（第三版）》是一本集理論性、係統性、實用性於一體的優秀教材。通過本書的學習，讀者將能夠深刻理解自動控製係統的基本原理，掌握分析和設計控製係統的各種方法，為未來在工程技術領域取得更大的成就打下堅實的基礎。無論是初學者還是希望深化理論知識的專業人士，都能從中獲益匪淺。

評分☆☆☆☆☆

這本《自動控製原理》第三版，真是讓人愛不釋手，尤其是對於像我這樣在校深造的學生來說，簡直是“及時雨”。餘成波和張蓮兩位教授的講解風格，清晰又不失深度。我記得我剛開始接觸這門課的時候，對傳遞函數、閉環係統這些概念簡直是一頭霧水，感覺就像在迷宮裏打轉。但是，翻開這本書，那種係統性的梳理和由淺入深的推導過程，一下子就把脈絡打通瞭。它不僅僅是羅列公式，更重要的是解釋瞭背後的物理意義和工程直覺。舉個例子，書裏講解根軌跡法時，不僅僅給瞭畫圖的規則，還深入剖析瞭不同參數變化對係統穩定性和瞬態響應的影響，這一點對我理解如何設計控製器至關重要。而且，教材裏配的習題難度設置也相當閤理，從基礎的概念理解到復雜的工程應用問題都有涵蓋，做完一遍下來，基本功算是紮實瞭許多。清華大學齣版社的排版質量一如既往地高水準，圖錶清晰，公式推導完整，即便是麵對復雜的矩陣運算，也能保持閱讀的順暢性，極大地提升瞭學習體驗。這本書作為21世紀高等學校規劃教材，確實體現瞭前沿性和實用性的完美結閤，絕對是自學和課堂教學的絕佳伴侶。

評分☆☆☆☆☆

作為一名對曆史沿革感興趣的學習者，我非常看重教材能否體現學科發展的脈絡。這本第三版在繼承經典理論（如經典控製理論的核心內容）的同時，很大膽地引入瞭適應當前技術需求的現代內容。我注意到，相比於老版本，這一版明顯加強瞭數字控製和係統辨識的內容。在如今所有控製係統都高度依賴數字化實現的背景下，從連續時間係統到離散時間係統的轉換、Z變換的應用以及有限字長效應的討論，都是至關重要的。餘成波和張蓮教授顯然對當前工業界和學術界的前沿動態保持著高度的敏感性。他們並沒有簡單地把數字控製當作經典控製的“附屬品”，而是將其視為現代控製工程的核心組成部分進行深入闡述。這種與時俱進的編輯策略，保證瞭這本書在未來幾年內依然能為讀者提供最相關、最實用的知識框架，避免瞭許多老教材因理論滯後而迅速貶值的命運。

評分☆☆☆☆☆

坦白講，初次拿到這本書時，我有些擔心它的“規劃教材”身份會不會讓內容變得過於保守或過於基礎。但實際閱讀體驗完全打消瞭我的疑慮。這本書的理論深度非常紮實，尤其是在處理非綫性係統和最優控製等高級主題時，展現齣瞭不俗的功力。我最喜歡的部分是它對“控製”這個概念的哲學定義和邊界探討。它不隻是教你“如何做控製”，更是在引導你思考“為什麼需要控製”以及“控製的極限在哪裏”。例如，在討論模型預測控製（MPC）的原理時，書中對滾動時域、約束處理的闡述，簡潔而精確，即使是初次接觸MPC的讀者也能迅速把握其核心思想。此外，清華大學齣版社的這次排版，字體選擇和行間距都非常適宜長時間閱讀，這對於需要啃下大量復雜理論的理工科學生來說，是一個巨大的加分項，極大地降低瞭閱讀疲勞感，讓學習過程變得更加專注和高效。

評分☆☆☆☆☆

我必須說，這本書的價值遠遠超齣瞭其作為一本教材的定位，它更像是一本詳盡的“工程實踐指南”。我個人是從業人員，在實際的工業自動化項目中，經常會遇到各種非綫性和時滯係統的問題。很多理論書籍在講解這些復雜情況時往往一帶而過，但《自動控製原理》第三版在這方麵處理得非常到位。它沒有停留在經典的PID控製層麵，而是花瞭大量篇幅去介紹現代控製理論，比如狀態空間法，這對於處理多輸入多輸齣（MIMO）係統尤其關鍵。我特彆欣賞作者們在案例分析中體現齣來的嚴謹態度，他們不僅展示瞭理論模型如何建立，還討論瞭模型簡化過程中可能引入的誤差，以及如何通過魯棒性設計來應對這些不確定性。例如，在講到李雅普諾夫穩定性分析時，書中給齣的例子非常貼閤實際，讓我能將抽象的數學工具與具體的機械或電子係統的穩定性聯係起來。這種理論與實踐的無縫對接，使得這本書成為瞭我工作颱上的“常備工具書”，隨時可以翻閱查閱，確認某個設計思路的閤理性。

評分☆☆☆☆☆

這本書的編排邏輯簡直是教科書級彆的典範，結構緊湊，但又留有足夠的思考空間。我是一個對細節比較挑剔的讀者，通常一本厚厚的教材裏總會有一些地方讓我感到晦澀難懂或者上下文跳躍。然而，這第三版在章節銜接上做得非常流暢。比如，在講解頻率響應分析法（Bode圖和Nyquist圖）之前，作者巧妙地迴顧瞭拉普拉斯變換和傳遞函數，確保讀者帶著清晰的頻域概念進入下一階段的學習。更令人稱道的是，它對控製係統設計中的“權衡”（Trade-off）問題進行瞭深刻的剖析。在控製工程中，幾乎所有的設計決策都是在瞬態響應、穩態精度和係統魯棒性之間尋求平衡。這本書沒有給齣“萬能公式”，而是通過詳盡的分析，引導讀者理解為什麼在某些場景下，犧牲一點穩態誤差是為瞭換取更高的抗乾擾能力。這種哲學層麵的引導，對於培養工程師的係統思維能力，比單純的計算技巧傳授要重要得多。