自動控制原理

第1章  緒論    1
1.1  引言    1
1.2  自動控制的基本概念    1
1.3  自動控制系統(tǒng)的基本形式    3
1.3.1  開環(huán)控制系統(tǒng)    3
1.3.2  閉環(huán)控制系統(tǒng)    4
1.3.3  閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成    5
1.3.4  閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點    6
1.4  自動控制系統(tǒng)分類    10
1.4.1  按輸入信號特征分類    10
1.4.2  按系統(tǒng)中傳遞的信號的變化特征分類    14
1.4.3  按系統(tǒng)特性分類    15
1.4.4  按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分類    16
1.5  對自動控制系統(tǒng)的基本要求    17
1.6  自動控制原理的研究內(nèi)容及本書的結(jié)構(gòu)體系    18
習題    20
第2章  控制系統(tǒng)的數(shù)學模型    21
2.1  引言    21
2.2  微分方程    22
2.2.1  機械系統(tǒng)    22
2.2.2  電路系統(tǒng)    25
2.2.3  機電系統(tǒng)    26
2.3  傳遞函數(shù)    31
2.3.1  傳遞函數(shù)定義    31
2.3.2  典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)    33
2.3.3  舉例說明建立傳遞函數(shù)的方法    37
2.4  方塊圖    41
2.4.1  方塊圖的組成和繪制    41
2.4.2  方塊圖簡化    44
2.4.3  閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)    49
2.5  信號流圖    51
2.5.1  信號流圖的組成和建立    51
2.5.2  梅森增益公式    53
2.6  狀態(tài)空間模型    57
2.6.1  基本概念    57
2.6.2  狀態(tài)空間表達式的建立    61
2.6.3  傳遞函數(shù)與狀態(tài)空間表達式之間的關(guān)系    76
2.6.4  組合系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式    77
習題    84
第3章  線性系統(tǒng)的時域分析法    91
3.1  引言    91
3.1.1  典型輸入信號及其拉氏變換    91
3.1.2  瞬態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)響應    94
3.1.3  瞬態(tài)性能指標和穩(wěn)態(tài)性能指標    95
3.2  典型一階系統(tǒng)的瞬態(tài)性能    97
3.2.1  一階系統(tǒng)的數(shù)學模型    97
3.2.2  一階系統(tǒng)的單位脈沖響應    97
3.2.3  一階系統(tǒng)的單位階躍響應    98
3.2.4  一階系統(tǒng)的單位斜坡響應    99
3.2.5  一階系統(tǒng)的單位加速度響應    100
3.2.6  一階系統(tǒng)的瞬態(tài)性能指標    101
3.2.7  減小一階系統(tǒng)時間常數(shù)的措施    102
3.3  典型二階系統(tǒng)的瞬態(tài)性能    103
3.3.1  典型二階系統(tǒng)的數(shù)學模型    103
3.3.2  典型二階系統(tǒng)的單位階躍響應    104
3.3.3  典型二階系統(tǒng)的瞬態(tài)性能指標    109
3.3.4  二階系統(tǒng)瞬態(tài)性能的改善    117
3.4  高階系統(tǒng)的時域分析    124
3.4.1  三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應    124
3.4.2  高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應    126
3.4.3  閉環(huán)主導極點    128
3.5  線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析    130
3.5.1  線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性    130
3.5.2  線性控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的充分必要條件    131
3.5.3  代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)    134
3.6  線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能分析    144
3.6.1  控制系統(tǒng)的誤差和穩(wěn)態(tài)誤差    144
3.6.2  穩(wěn)態(tài)誤差分析    148
3.7  利用MATLAB對控制系統(tǒng)進行時域分析    167
3.7.1  線性控制系統(tǒng)的數(shù)學描述    167
3.7.2  控制系統(tǒng)的時域響應    173
習題    181
第4章  線性系統(tǒng)的根軌跡分析法    187
4.1  引言    187
4.1.1  根軌跡    188
4.1.2  根軌跡的幅值和相角條件    191
4.1.3  利用試探法確定根軌跡上的點    193
4.2  繪制根軌跡的基本規(guī)則    194
4.2.1  180°等相角根軌跡的繪制規(guī)則    194
4.2.2  0°等相角根軌跡的繪制規(guī)則    209
4.2.3  參量根軌跡    210
4.2.4  關(guān)于180°和0°等相角根軌跡的幾個問題    212
4.3  控制系統(tǒng)根軌跡繪制示例    213
4.4  基于根軌跡法的系統(tǒng)性能分析    223
4.4.1  增加開環(huán)零、極點對根軌跡的影響    223
4.4.2  條件穩(wěn)定系統(tǒng)分析    226
4.4.3  利用根軌跡估算系統(tǒng)的性能    228
4.4.4  利用根軌跡計算系統(tǒng)的參數(shù)    230
4.5  利用MATLAB分析根軌跡    233
習題    239
第5章 線性系統(tǒng)的頻域分析法    244
5.1  引言    244
5.2  頻率特性的基本概念    244
5.2.1  定義    244
5.2.2  頻率特性的表示方法    247
5.3  對數(shù)坐標圖    247
5.3.1  對數(shù)坐標圖及其特點    247
5.3.2  典型環(huán)節(jié)的對數(shù)坐標圖    249
5.3.3  系統(tǒng)對數(shù)頻率特性的繪制    257
5.3.4  非最小相位系統(tǒng)對數(shù)坐標圖    260
5.3.5  對數(shù)幅相圖    267
5.4  極坐標圖    268
5.4.1  典型環(huán)節(jié)的極坐標圖    268
5.4.2  開環(huán)系統(tǒng)極坐標圖的繪制    273
5.4.3  非最小相位系統(tǒng)的極坐標圖    275
5.4.4  增加零、極點對極坐標圖的影響    277
5.5  奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)    283
5.5.1  輻角原理    283
5.5.2  奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)    286
5.5.3  開環(huán)系統(tǒng)含有積分環(huán)節(jié)時奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的應用    290
5.5.4  奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)在伯德圖中的應用    295
5.5.5  對具有純延遲系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析    295
5.6  穩(wěn)定裕度    298
5.7  閉環(huán)系統(tǒng)的頻率特性    305
5.7.1  用向量法求閉環(huán)頻率特性    306
5.7.2  等幅值軌跡（等M圓）和等相角軌跡（等N圓）    307
5.7.3  尼科爾斯圖    312
5.7.4  非單位反饋系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性    314
5.8  閉環(huán)系統(tǒng)性能分析    315
5.8.1  利用頻率特性分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能    315
5.8.2  頻域性能指標與時域性能指標的關(guān)系    317
5.9  利用MATLAB進行系統(tǒng)的頻域分析    326
5.9.1  利用MATLAB繪制伯德圖（對數(shù)坐標圖）    326
5.9.2  利用MATLAB繪制奈奎斯特圖（極坐標圖）    328
5.9.3  利用MATLAB繪制尼科爾斯圖（對數(shù)幅相特性圖）    331
5.9.4  利用MATLAB繪制具有延遲環(huán)節(jié)的系統(tǒng)的頻率特性    332
5.9.5  利用MATLAB求系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度    335
5.9.6  利用MATLAB求閉環(huán)頻率特性的諧振峰值、
諧振頻率和帶寬    336
習題    337
第6章  線性控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析    342
6.1  引言    342
6.2  線性定常系統(tǒng)的線性變換    342
6.2.1  狀態(tài)變量模型的非惟一性    342
6.2.2  狀態(tài)空間表達式的約當標準型    344
6.3  線性定常系統(tǒng)的時間響應和狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣    352
6.3.1  齊次狀態(tài)方程的解    352
6.3.2  非齊次狀態(tài)方程的解    356
6.3.3  狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的計算    357
6.4  系統(tǒng)的能控性和能觀測性    367
6.4.1  線性連續(xù)定常系統(tǒng)的能控性    368
6.4.2  線性連續(xù)定常系統(tǒng)的能觀測性    376
6.4.3  能控性、能觀測性與傳遞函數(shù)的關(guān)系    382
6.4.4  對偶原理    383
6.5  狀態(tài)反饋與極點配置    385
6.5.1  狀態(tài)反饋    385
6.5.2  狀態(tài)反饋后閉環(huán)系統(tǒng)的能控性和能觀測性    386
6.5.3  極點配置    387
6.6  狀態(tài)估計與狀態(tài)觀測器    394
6.6.1  觀測器的結(jié)構(gòu)形式    395
6.6.2  觀測器的存在條件    396
6.6.3  全維觀測器的設(shè)計方法    397
6.6.4  降維觀測器的設(shè)計    398
6.6.5  帶觀測器的閉環(huán)系統(tǒng)的基本特性    405
6.7  利用MATLAB進行狀態(tài)空間分析    407
6.7.1  利用MATLAB進行數(shù)學模型轉(zhuǎn)換    407
6.7.2  利用MATLAB構(gòu)造組合系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式    410
6.7.3  利用MATLAB計算矩陣指數(shù)和時間響應    413
6.7.4  利用MATLAB分析系統(tǒng)的能控性和能觀測性    414
6.7.5  利用MATLAB設(shè)計狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測器    415
習題    417
第7章  線性系統(tǒng)的設(shè)計方法    424
7.1  引言    424
7.2  校正裝置及其特性    427
7.2.1  超前校正裝置的特性    427
7.2.2  滯后校正裝置的特性    429
7.2.3  滯后-超前校正裝置的特性    431
7.3  基于伯德圖的系統(tǒng)校正    432
7.3.1  基于伯德圖的相位超前校正    432
7.3.2  基于伯德圖的相位滯后校正    435
7.3.3  基于伯德圖的滯后-超前校正    438
7.3.4  超前、滯后和滯后-超前校正的比較    440
7.4  基于根軌跡的系統(tǒng)校正    441
7.4.1  增加零、極點對根軌跡的影響    441
7.4.2  基于根軌跡的相位超前校正    442
7.4.3  基于根軌跡的相位滯后校正    446
7.5  PID控制器    448
7.5.1  比例控制器    448
7.5.2  積分控制器    449
7.5.3  比例積分(PI)控制器    450
7.5.4  比例微分(PD)控制器    450
7.5.5  比例積分微分(PID)控制器    451
習題    452
第8章  線性離散控制系統(tǒng)分析    456
8.1  引言    456
8.2  信號的采樣    456
8.2.1  采樣過程    456
8.2.2   采樣定理    458
8.3  信號的保持    460
8.3.1  零階保持器    461
8.3.2  一階保持器    462
8.4  z變換    463
8.4.1  z變換定義    463
8.4.2  z變換方法    464
8.4.3  z變換的基本定理    466
8.4.4  z反變換    467
8.5  脈沖傳遞函數(shù)    468
8.5.1  脈沖傳遞函數(shù)的定義    469
8.5.2  開環(huán)采樣系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)    470
8.5.3  閉環(huán)采樣系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)    472
8.6  離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析    474
8.6.1  s平面和z平面的映射關(guān)系    474
8.6.2  采樣控制系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)    475
8.6.3  勞斯穩(wěn)定判據(jù)    477
8.7  采樣控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差    479
8.8  采樣系統(tǒng)的動態(tài)性能分析    482
8.9  采樣控制系統(tǒng)的校正    485
8.9.1  數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)    485
8.9.2  最少拍采樣控制系統(tǒng)的校正    486
習題    490
第9章  非線性控制系統(tǒng)分析    493
9.1  引言    493
9.1.1  非線性系統(tǒng)的特點    493
9.1.2  非線性系統(tǒng)的研究方法    496
9.2  常見的典型非線性特性    497
9.3  相平面法基礎(chǔ)    500
9.3.1  線性系統(tǒng)的相軌跡    501
9.3.2  相軌跡作圖方法    507
9.3.3  由相平面圖求時間解    510
9.4  非線性控制系統(tǒng)的相平面法分析    512
9.4.1  具有分段線性的非線性系統(tǒng)    513
9.4.2  繼電器型非線性系統(tǒng)    516
9.4.3  速度反饋對非線性系統(tǒng)性能的影響    522
9.5  描述函數(shù)    523
9.6  用描述函數(shù)分析非線性系統(tǒng)    530
9.6.1  自激振蕩的確定    532
9.6.2  描述函數(shù)方法的精確度    536
習題    537
附錄  拉普拉斯變換    541
參考文獻    548