本书将控制理论与机械装备应用相结合，对生产过程装备提出了一些新的控制方法，包括工艺过程分析。书中列举了大量的应用实例，如：注射机控制系统，反辐射导弹导引头随动系统设计，电热箱温度控制、蒸汽机涡轮发电机调速系统和多台电动机协调运转调速控制等。本书力求内容新颖、理论结合实际，系统地把机械装备与控制系统相结合，体现了控制理论与机械装备相结合的特色。

本书阐述了自动控制理论的基本内容，涵盖了经典控制理论与现代控制理论的基础部分。全书分8章，主要内容包括： 自动控制系统绪论；经典控制理论；电机原理及控制；可控性、可观测性与极点配置设计；最优控制；自适应控制的概念与基本方法；应用举例--反辐射导弹导引头随动系统设计；应用举例--电动注射机锁模伺服电机控制。本书理论结合实际，把机械装备与控制系统相结合，体现了控制理论与机械装备结合的特色。本书还专为读者提供了习题和答案，供读者学习时使用。

本书可作为工程硕士研究生教材，也可作为机械类，电气工程类学科本科生、硕士生的教科书，亦可供从事控制工程研究的科技人员及科研工作者参考。

第1章 自动控制系统绪论1

 1.1 自动控制系统的发展历史1

 1.2 自动控制系统概述7

1.2.1 名词术语7

1.2.2 自动控制系统简介9

1.2.3 控制系统的结构和设计原则12

 1.3 自动控制系统举例18

1.3.1 电热箱温度控制系统18

1.3.2 角位移闭环随动控制系统20

1.3.3 蒸汽机涡轮原动机--发电机组的液压式调速系统21

 习题28

第2章 经典控制理论30

 2.1 自动控制系统的数学模型30

2.1.1 物理系统的微分方程30

2.1.2 传递函数的定义和性质34

2.1.3 线性系统的传递函数35

2.1.4 传递函数的零点和极点36

2.1.5 典型环节的传递函数37

2.1.6 方框图模型38

2.1.7 绘制方框图的步骤及特点39

2.1.8 方框图的简化40

2.1.9 线性微分方程的解45

 2.2 控制系统的时域分析47

2.2.1 典型输入信号和时域性能指标47

2.2.2 控制系统的稳定特性分析51

2.2.3 稳态误差的确定52

2.2.4 一阶系统的瞬态响应56

2.2.5 二阶系统的瞬态响应59

2.2.6 时域分析性能指标65

 2.3 控制系统根轨迹方法70

2.3.1 根轨迹的基本概念70

2.3.2 绘制根轨迹的规则71

2.3.3 应用根轨迹法进行控制系统设计77

 2.4 控制系统的频率响应82

2.4.1 频率响应法的基本概念82

2.4.2 对数坐标图87

2.4.3 极坐标图95

2.4.4 由频率特性曲线求系统传递函数98

2.4.5 奈奎斯特稳定性判据101

2.4.6 系统的相对稳定性108

 2.5 利用MATLAB绘制时域图、频率特性图、根轨迹图109

2.5.1 运用CSCAD进行时域分析110

2.5.2 运用CSCAD软件绘制根轨迹图110

2.5.3 运用CSCAD软件绘制系统的频率特性图114

 习题117

第3章 电机原理及控制122

 3.1 三相异步电动机变频控制技术122

3.1.1 三相异步电动机原理122

3.1.2 三相异步电动机变频控制器结构125

3.1.3 异步电动机变频器原理基础129

3.1.4 正弦波SPWM电路135

3.1.5 异步电动机矢量变换控制算法140

 3.2 无刷直流电动机152

3.2.1 无刷直流电动机的结构和原理152

3.2.2 三相无刷直流电动机星形连接全桥驱动原理158

3.2.3 三相无刷直流电动机的DSP控制161

3.2.4 无刷直流电动机的控制方法162

3.2.5 多相电动机控制举例168

 3.3 交流伺服电动机结构、原理及控制算法172

3.3.1 三相永磁同步伺服电动机结构及原理172

3.3.2 交流永磁同步电动机数学模型的建立176

3.3.3 空间矢量脉宽调制181

3.3.4 空间矢量PWM波的生成184

3.3.5 VSR空间矢量PWM的合成187

 3.4 开关磁阻电动机的结构与原理190

3.4.1 开关磁阻电动机的结构与特点190

3.4.2 开关磁阻电动机的功率驱动电路193

3.4.3 开关磁阻电动机的线性模式分析195

3.4.4 开关磁阻电动机的应用203

 习题206

第4章 可控性、可观测性与极点配置设计207

 4.1 状态空间模型207

 4.2 状态空间表达式210

4.2.1 状态方程的解211

4.2.2 状态转移矩阵的性质212

4.2.3 Φ(t)或eAt的计算213

4.2.4 线性定常系统非齐次方程的解214

 4.3 系统的可控性和可观测性216

4.3.1 线性时变系统的可控性216

4.3.2 线性定常系统的可控性219

4.3.3 线性时变系统的可观测性224

4.3.4 线性定常系统的可观测性226

4.3.5 可控性和可观测性的对偶关系228

 4.4 可控标准型和可观测标准型229

4.4.1 系统的可控标准型229

4.4.2 系统的可观测标准型232

 4.5 线性系统的结构分解234

4.5.1 按可控性的系统结构分解234

4.5.2 按可观测性的系统结构分解235

4.5.3 按可控性和可观测性的系统结构的标准分解237

 4.6 观测器设计238

4.6.1 全维观测器238

4.6.2 降维观测器240

 习题242

第5章 最优控制245

 5.1 最优控制问题245

 5.2 变分求解最优控制问题247

5.2.1 变分法求最优问题247

5.2.2 变分法求最优控制251

 5.3 极小值原理及最小时间控制258

5.3.1 连续系统的极小值原理258

5.3.2 离散系统的极小值原理260

5.3.3 线性定常系统时间最优控制262

 5.4 二次型性能指标的最优控制问题264

5.4.1 状态调节器265

5.4.2 输出调节器268

 5.5 多台电机协调运转的最优控制270

5.5.1 误差变量法的基本原理270

5.5.2 系统的数学模型及闭环系统结构图271

5.5.3 系统的仿真实验及结果分析276

 习题279

第6章 自适应控制的概念与基本方法282

 6.1 自适应控制概述   282

6.1.1 自适应控制问题的提出282

6.1.2 自适应控制的定义284

6.1.3 自适应控制的基本形式 286

 6.2 模型匹配自适应控制288

6.2.1 参数最优化设计法288

6.2.2 李亚普诺夫函数法290

 6.3 最小方差调节和预测292

6.3.1 最小方差调节律292

6.3.2 最优预测293

6.3.3 闭环特性294

 6.4 自适应控制过程295

 6.5 最小方差自校正调节298

6.5.1 广义最小方差控制299

6.5.2 最小方差自校正控制算法302

 6.6 造纸机的自适应控制系统303

6.6.1 生产过程303

6.6.2 自调准调节器304

6.6.3 算法程序305

 习题306

第7章 应用举例--反辐射导弹导引头随动系统设计308

 7.1 绪论308

7.1.1 反辐射导弹导引头随动系统工作原理308

7.1.2 性能指标310

 7.2 方案论证310

7.2.1 液压伺服随动系统311

7.2.2 电动平台随动系统313

 7.3 控制系统及元件的设计317

7.3.1 对随动系统角速度及角加速度的要求318

7.3.2 负载力矩319

7.3.3 伺服电机选择320

7.3.4 陀螺仪的选择324

 7.4 控制系统设计及仿真325

7.4.1 系统参数设计325

7.4.2 仿真330

第8章 应用举例--电动注射机锁模伺服电机控制336

 8.1 电动注射机336

8.1.1 电动注射机的机械结构336

8.1.2 电动注射机的控制系统340

 8.2 全电动注射机开合模控制341

8.2.1 电动注射机合模装置341

8.2.2 伺服电动机控制器设计348

附录A 控制系统MATLAB计算机辅助设计(CSCAD)Ver 3.0和辅助教学课件(CAICS)Ver 2.0使用说明355

 A.1 CSCAD Ver 3.0简介356

 A.2 CAICS Ver 2.0简介357

习题参考答案359

参考文献368