第一章绪论

本章介绍了自动控制和自动控制系统的基本概念、有关名词术语及控制理论发展的几个重要阶段、常见的干扰类型以及自动控制系统的评价指标。

●1.1自动控制的基本概念

以炉温控制系统为例说明了开环控制和闭环控制两种基本控制方式，指出“反馈”是自动控制原理的一个非常重要的概念，介绍用框图来表示其工作原理和信号的传递过程，讲解空调房间温度控制过程。

●1.2自动控制系统的分类

介绍了控制系统分类的一般方法，可根据系统的控制方式、信号的特点、元器件的性质及系统的功用等，将系统分成各种不同的类型。重点介绍恒值、线性、定常系统的判断。

●1.3典型外界干扰及自动控制系统基本要求

介绍了常见的干扰信号类型，介绍控制系统基本要求和评价指标。系统分析可分为三方面的内容:稳定性分析、动态性能分析和静态性能分析。简要介绍自动控制理论发展历程阶段。

第二章调节对象及测量装置特性

本章主要讨论调节对象数学模型的建立方法，并讨论对象特性参数对调节过程的影响。其目的是为了借助模型对调节对象的特性进行分析和研究。还讨论了测量装置及变送器的数学模型。

●2.1调节对象的基本概念

以空调房间对象和液位对象为例，介绍调节对象的静态特性参数（放大系数K）、动态特性参数的定义（迟延τ和时间常数T），明确调节对象的特性比τ/T 是全面反映对象调节性能的参数。

●2.2调节对象微分方程的建立

物理系统不论是机械的、电气的或者是热力学系统，都可以用微分方程描述其动态特性。本节选择一阶调节对象冷藏箱和RC电路讨论调节对象数学模型建立过程和步骤，目的是为了借助模型对调节对象的特性进行分析和研究，这是进行系统分析和设计的基础。建立对象的数学模型一般都需要对系统进行必要的简化。分析不同类型对象之间存在的相似性。简要介绍几个高阶对象微分方程作为扩展知识面了解内容。

●2.3非线性微分方程的解

以液位对象为例，通过引入泰勒级数展开近似，进行非线性问题线性化处理。介绍了线性定常系统建立描述系统的两种数学模型，即微分方程、传递函数。建立系统或者元件的微分方程是建立系统数学模型的基础。 利用微分方程的特性讨论了调节对象特性参数对反应曲线的影响，具体分析了容量系数C、阻力系数R以及时间常数T对反应曲线的影响。在建立了系统的线性定常微分方程的基础上，为更方便有效地分析、研究控制系统，提出了传递函数的概念。在经典控制理论中，传递函数是应用最广泛的一种数学模型。

●2.4调节对象动态特性的实验测定

介绍了调节对象的动态特性的试验测量方法，即反应曲线法、脉冲反应曲线法和频率特性曲线法等。讨论了测量装置及变送器的数学模型，讨论如何提高热工参数测试仪器灵敏性的措施。

●2.5拉普拉斯变换及其重要性质

介绍拉普拉斯变换（简称拉氏变换）定义、目标及特性，重点介绍初值定理、终值定理、微分定理以及积分定理等特性。本节内容见教材附录部分。

●2.6拉普拉斯反变换及传递函数

介绍了有理式的拉普拉斯反变换的计算算法，给出典型函数的拉氏变换以及反变换的函数。本节内容见教材附录部分。

第三章调节器和调节系统的调节过程

本章着重讨论了各种调节器及其工作原理，调节器参数工程整定，使读者了解各种调节器的性能以及应用，为进行控制系统分析、设计应用打下基础。

●3.1双位调节及比例调节

介绍双位调节器的特性，它是一种非连续输出的调节器，它主要应用在调节对象特性比τ/T<0.3的场合。比例(P) 是连续输出的调节器，介绍特性参数比例系数、比例带、比例范围，比例调节过程及静态偏差。

●3.2积分调节器与微分调节器

介绍积分(I)、微分(D)调节的特性、传递函数、微分方程以及相应的特征参数。积分过程可以消除静态偏差，但容易产生过调节。微分过程不单独使用及其原因。

●3.3P,I,D 调节器的组合

比例(P)、积分(I)、微分(D)以及它们之间组合形成的调节器如比例积分(PI)调节器、比例微分(PD)调节器以及比例积分微分(PID)调节器都是连续输出的调节器。介绍组合后调节器的特性（飞升曲线、微分方程、传递函数），引入刚性反馈和弹性反馈概念。介绍各类调节器的应用的控制系统特性对比，以及如何选择合适的调节器类型。

●3.4串级调节与复合调节

介绍两种类型调节模式的定义及应用。串级调节系统是一个双回路系统，它实际上是把两个调节器串联起来，通过它们的协调工作，使一个被调量准确地保持为给定值。前馈控制与反馈控制原理不同，它是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节，一般情况下需要将前馈与反馈结合起来的复合调节系统进行参数调节。

●3.5调节器参数的工程整定

在完成系统的调试和投运之后，必须进行调节器参数的整定工作。系统的调试是进行调节器参数整定的前提，而调节器工程整定又是提高调节品质的重要手段。调节器参数整定就是恰当选择调节器的参数值，如比例带δ、积分时间TI和微分时间TD，以获得符合工艺要求的调节过程。目前常用的参数工程整定方法有：经验试凑法、临界比例带法、反应曲线法和衰减曲线法。

第四章执行器及其特性

本章主要介绍了调节系统环节之一——执行器。执行器主要由执行机构和调节机构组成，包括执行机构、调节阀和调节风门。介绍了调节阀特性及选择的依据。

●4.1执行器、调节阀结构及流量特性

介绍了调节阀各组成部分的结构、特性和功能。调节阀的理想流量特性定义以及类型（直线流量特性、等百分比流量特性、快开流量特性）。调节阀串联在系统中的实际流量特性以及调节阀的阀门能力（阀权度）对可调范围的影响。

●4.2调节阀工作流量特性、流通能力及口径选择

介绍调节阀的流通能力的定义，选择调节阀口径需根据调节阀的流量特性和流通能力，以实际制冷系统工程案例介绍调节阀的选择步骤。

第五章控制系统的数学模型

本章主要介绍传递函数以及框图的简化。控制系统的传递函数是在输入信号作用下讨论的。分析了闭环系统总输出的响应求解过程。实际控制系统不但受到输入信号的作用，还会受到干扰信号的作用。当两个输入量同时作用于线性系统时，可以分别考虑各种外部作用的影响，然后应用叠加原理，即可得到闭环系统总输出的响应。

●5.1典型环节的传递函数及方框图等效变换

介绍了典型环节（一阶惯性环节和二阶振荡环节）定义及过渡过程曲线。介绍框图应用和转换。框图模型是一种基于传递函数的图解模型，它能直观地描述系统各个变量之间的关联关系。控制系统框图是描述系统中各种信号传递关系的数学图形，它是系统中各个环节(方框)函数功能和信号流向的图形表示，框图中的内容为这个环节的传递函数。所以框图是由环节(方框)、信号线、引出点(测量点)和比较点组成的。框图的等效变换主要是通过变换比较点和引出点的位置来实现的。变换中掌握好两点: 1)前向通道中各传递函数的乘积不变；2)回路中各传递函数的乘积不变。通过框图变换将框图变换成具有串联、并联和反馈连接的结构。

●5.2控制系统的传递函数及静态偏差分析

介绍了系统开环传递和函数和闭环传递函数的定义，重点介绍控制系统的传递函数的推导过程，实际控制系统不但受到输入信号的作用，还会受到干扰信号的作用。当两个输入量同时作用于线性系统时，可以分别考虑各种外部作用的影响，然后应用叠加原理，即可得到闭环系统总输出的响应。介绍控制系统各环节以及整个控制系统微分方程的列写。

●5.3一般形式闭环系统的误差传递函数及静态误差系数法

稳态误差是系统控制精度的度量，也是系统重要的性能指标。系统的稳态误差既和系统的结构、参数有关，也和输入信号的形式、大小、作用点有关。讨论了0型、Ⅰ型和Ⅱ型系统在不同控制输入作用下的稳态误差。简要介绍了减小和消除控制系统稳态误差的方法。

第六章线性系统时域分析、频域分析及校正

本章主要介绍调节系统时域分析法、稳定性判据、频域分析法等，另外，还介绍了线性控制系统的校正方法。

●6.1控制系统的时域响应

时域分析法是通过直接求解系统在典型输入信号作用下的时域响应来分析系统的性能。系统的时间响应由暂态响应和稳态响应两部分组成。介绍一阶惯性环节的时域响应飞升曲线特征，分析了影响因素。对于二阶系统，特别是二阶欠阻尼系统，在时域分析法中占有重要地位，具有典型性。二阶欠阻尼系统的时间响应虽有振荡，但只要阻尼比ζ(ζ=0.7左右)取值适当，则系统既有响应的快速性，又有过渡过程的平稳性，因而在控制工程中常把二阶系统设计为欠阻尼系统。

●6.2控制系统稳定性分析及劳斯稳定判据

给出了线性系统稳定的充分必要条件，介绍了一种代数判据即劳斯稳定判据。劳斯判据代数方程式的根和系数的关系来判别系统稳定与否。介绍劳斯稳定判据的应用程序并给出不同情况的应用案例进行说明。

●6.3线性控制系统的频域分析

介绍了频域分析的基本概念包括频率特性、幅频特性以及相频特性，频率法的几何表示（奈氏图和伯德图等）。给出了典型环节的奈氏图和伯德图。系统的频率特性通常可以用分析法或实验法获得。分析法就是根据描述系统的微分方程求出系统的传递函数G(s)，用jω取代s即得到系统的频率特性。实验法则是根据系统在频率由0→∞变化的正弦信号作用下，稳态输出与正弦输入的幅值比和相位差绘出系统的伯德图，即可求出系统的频率特性。和其他方法相比，采用对数频率特性曲线，环节进行串联组成的系统可分别由各个环节的对数幅、相频特性的叠加而得。因而，掌握典型环节的对数频率特性曲线具有重要意义。 介绍了一般控制系统伯德图的做法，给出了最小相位系统的定义以及判断依据。分析了开环系统频率特性和闭环系统频率特性的关系，给出了闭环频率特性的指标，结合开环频率特性指标，可以分析系统低频段和中频段特性。 介绍控制系统相对稳定性及稳定裕度定义，考虑到控制系统内部参数和外界环境的变化对系统稳定性的影响，要求系统不仅能稳定地工作，而且还需有足够的稳定裕度。稳定裕度通常用幅值裕度和相位裕度来表示。

●6.4线性控制系统校正

线性控制系统常用的时域校正方式有串联校正、反馈校正和前馈(复合)校正。复合校正中的前馈装置是按不变性原理进行设计的，可分为按输入补偿和按扰动补偿两种方式。线性系统频域法串联校正包括超前校正、滞后校正和超前—滞后校正。

第七章计算机过程控制系统

本章着重介绍常规控制和计算机过程控制，其目的是为了了解计算机控制系统的不同形式，为以后控制系统的设计应用奠定基础。介绍了计算机控制的信号的采用与复现、脉冲传递函数、采样系统的稳定性分析等。

●7.1计算机控制系统概述

介绍计算机控制系统概念、组成、特点、类型及发展趋势。它可以分为数据采集和数据处理，直接数字控制系统(DDC)、监督控制系统(SCC)和集散控制系统(DCS)。简要介绍计算机控制系统在暖通空调系统中的应用。

●7.2计算机过程控制相关理论

介绍计算机控制的信号的采用与复现、脉冲传递函数，介绍了计算机控制离散系统理论、信号采样理论、采样周期的选择、零阶保持器的特性。介绍了Z变换的定义以及典型离散信号函数的Z变换的。 介绍了计算机控制系统的算式。所使用的数字PID控制器的控制算法的表达式有三种形式，即位置式、增量式和速度式。