自動控制原理

第1章  自動控制的基本概念 1
1.1  引言 1
1.2  開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng) 2
1.2.1  開環(huán)控制系統(tǒng) 2
1.2.2  閉環(huán)控制系統(tǒng) 3
1.2.3  閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成 4
1.3  自動控制系統(tǒng)的分類 5
1.3.1  按輸入信號形式分類 5
1.3.2  按系統(tǒng)中信號傳遞的性質(zhì)分類 5
1.3.3  按系統(tǒng)的輸入/輸出特性分類 6
1.4  控制系統(tǒng)舉例 6
1.4.1  蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 6
1.4.2  溫度控制系統(tǒng) 7
1.4.3  位置隨動系統(tǒng) 8
1.4.4  電冰箱制冷系統(tǒng) 9
1.5  對自動控制系統(tǒng)的基本要求 9
小結(jié) 10
習(xí)題 10
第2章  控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 13
2.1  引言 13
2.1.1  系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的定義及特點(diǎn) 13
2.1.2  系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的類型和建模方法 13
2.2  建立系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型 14
2.2.1  電路系統(tǒng)舉例 14
2.2.2  機(jī)械力學(xué)系統(tǒng)舉例 15
2.2.3  機(jī)電系統(tǒng)舉例 17
2.2.4  流體系統(tǒng)的建模 18
2.2.5  復(fù)雜系統(tǒng)舉例 18
2.2.6  微分方程建立步驟 20
2.3  非線性系統(tǒng)的線性化 20
2.3.1  小偏差線性化概念 21
2.3.2  線性化方法 21
2.4  微分方程求解 23
2.5  建立系統(tǒng)的復(fù)域數(shù)學(xué)模型 24
2.5.1  傳遞函數(shù)的定義 24
2.5.2  傳遞函數(shù)的性質(zhì) 26
2.5.3  零點(diǎn)、極點(diǎn)和傳遞系數(shù) 26
2.6  系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)及傳遞函數(shù) 27
2.6.1  比例環(huán)節(jié) 28
2.6.2  慣性環(huán)節(jié) 28
2.6.3  積分環(huán)節(jié) 29
2.6.4  微分環(huán)節(jié) 30
2.6.5  振蕩環(huán)節(jié) 30
2.6.6  延時環(huán)節(jié) 30
2.7  系統(tǒng)方塊圖 31
2.7.1  方塊圖的定義 31
2.7.2  方塊圖的組成和繪制 32
2.7.3  方塊圖等效變換和簡化 35
2.7.4  方塊圖化簡舉例 38
2.8  系統(tǒng)信號流圖 40
2.8.1  信號流圖的基本概念 40
2.8.2  信號流圖的畫法及簡化規(guī)則 41
2.8.3  梅遜增益公式 43
2.9  利用MATLAB求解系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 45
2.9.1  num和den函數(shù) 45
2.9.2  典型化簡函數(shù) 46
小結(jié) 48
習(xí)題 48
第3章  線性系統(tǒng)的時域分析法 52
3.1  引言 52
3.1.1  典型輸入信號 52
3.1.2  典型時間響應(yīng) 54
3.1.3  控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 54
3.2  一階系統(tǒng)的時域分析 56
3.2.1  一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 56
3.2.2  一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 56
3.2.3  一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng) 57
3.2.4  一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng) 58
3.2.5  一階系統(tǒng)的單位加速度響應(yīng) 59
3.2.6  線性定常系統(tǒng)的重要特性 59
3.3  二階系統(tǒng)的時域分析 61
3.3.1  二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 61
3.3.2  二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 62
3.3.3  欠阻尼二階系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo) 64
3.3.4  二階系統(tǒng)動態(tài)性能的改善 68
3.4  高階系統(tǒng)的時域分析 72
3.5  線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 74
3.5.1  線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念和穩(wěn)定的充分必要條件 74
3.5.2  代數(shù)穩(wěn)定判據(jù) 75
3.6  線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析 79
3.6.1  誤差與穩(wěn)態(tài)誤差的定義 79
3.6.2  穩(wěn)態(tài)誤差的分析與計(jì)算 80
3.6.3  減小穩(wěn)態(tài)誤差的方法 85
3.7  用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)時域分析 86
3.7.1  用MATLAB求系統(tǒng)的輸出響應(yīng) 86
3.7.2  用MATLAB求系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo) 88
3.7.3  用MATLAB研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性 89
3.7.4  用MATLAB求靜態(tài)誤差系數(shù)及系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 89
小結(jié) 90
習(xí)題 91
第4章  根軌跡法 95
4.1  根軌跡的基本概念 95
4.2  根軌跡的幅值條件和幅角條件 98
4.3  繪制根軌跡的基本法則 99
4.4  零度根軌跡 104
4.5  根軌跡繪制舉例 105
4.6  參數(shù)根軌跡 107
4.7  控制系統(tǒng)的根軌跡法分析 108
4.7.1  開環(huán)零、極點(diǎn)對根軌跡的影響 108
4.7.2  由根軌跡分析控制系統(tǒng) 110
4.8  利用MATLAB繪制根軌跡及分析系統(tǒng) 111
小結(jié) 116
習(xí)題 117
第5章  線性系統(tǒng)的頻域分析法 120
5.1  引言 120
5.2  頻率特性 120
5.2.1  頻率特性的基本概念 120
5.2.2  頻率特性的圖形表示法 122
5.3  對數(shù)頻率特性圖（伯德圖） 122
5.3.1  對數(shù)頻率特性圖及其特點(diǎn) 122
5.3.2  典型環(huán)節(jié)的對數(shù)頻率特性圖 123
5.3.3  系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性的繪制 127
5.3.4  最小相位系統(tǒng)和非最小相位系統(tǒng) 131
5.3.5  確定傳遞函數(shù)的頻域?qū)嶒?yàn)方法 132
5.4  極坐標(biāo)圖（奈奎斯特圖） 138
5.4.1  典型環(huán)節(jié)的極坐標(biāo)圖 138
5.4.2  系統(tǒng)開環(huán)極坐標(biāo)圖的繪制 141
5.5  奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù) 144
5.5.1  幅角原理 145
5.5.2  奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù) 146
5.6  控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性 153
5.7  閉環(huán)系統(tǒng)頻域性能指標(biāo) 157
5.7.1  系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性 157
5.7.2  頻域性能指標(biāo)與時域指標(biāo)的關(guān)系 157
5.8  用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)頻域分析 160
5.8.1  用MATLAB繪制伯德圖 160
5.8.2  用MATLAB繪制極坐標(biāo)圖 162
5.8.3  用MATLAB求系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度 164
小結(jié) 165
習(xí)題 166
第6章  線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 170
6.1  引言 170
6.1.1  性能指標(biāo) 170
6.1.2  校正方式 171
6.2  校正裝置 172
6.2.1  超前校正網(wǎng)絡(luò)及其特性 172
6.2.2  滯后校正網(wǎng)絡(luò)及其特性 174
6.2.3  滯后-超前校正網(wǎng)絡(luò)及其特性 175
6.3  串聯(lián)校正 176
6.3.1  基于頻率響應(yīng)法的串聯(lián)校正 177
6.3.2  基于根軌跡法的串聯(lián)校正 183
6.4  反饋校正 190
6.4.1  比例負(fù)反饋 190
6.4.2  微分負(fù)反饋 191
6.4.3  負(fù)反饋 191
6.5  復(fù)合校正 194
6.5.1  按擾動補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng) 194
6.5.2  按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng) 195
6.6  PID控制器 197
6.6.1  比例微分（PD）控制 197
6.6.2  比例積分（PI）控制 198
6.6.3  比例積分微分（PID）控制 198
小結(jié) 201
習(xí)題 202
第7章  線性離散系統(tǒng)的分析 207
7.1  離散系統(tǒng)基本概念及其應(yīng)用 207
7.1.1  采樣控制系統(tǒng) 207
7.1.2  采樣系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 208
7.1.3  數(shù)字控制系統(tǒng) 209
7.1.4  數(shù)字控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 210
7.2  采樣器和保持器 211
7.2.1  采樣器 211
7.2.2  采樣定理 212
7.2.3  保持器 213
7.3  z變換 214
7.3.1  z變換定義 214
7.3.2  求z變換的方法 215
7.3.3  z變換的基本性質(zhì) 217
7.3.4  z反變換 219
7.4  脈沖傳遞函數(shù) 220
7.4.1  脈沖傳遞函數(shù)的定義及求法 220
7.4.2  開環(huán)采樣系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù) 221
7.4.3  閉環(huán)采樣系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù) 223
7.5  離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 228
7.5.1  時域中的離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件 228
7.5.2  s平面與z平面的映射關(guān)系 229
7.5.3  z域中離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件 229
7.5.4  離散系統(tǒng)的勞斯穩(wěn)定判據(jù) 230
7.5.5  采樣周期與開環(huán)增益對采樣系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響 232
7.6  離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 233
7.7  離散系統(tǒng)的動態(tài)性能分析 236
7.8  MATLAB在離散控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 239
7.8.1  連續(xù)系統(tǒng)的離散化 239
7.8.2  求離散系統(tǒng)的響應(yīng) 240
7.8.3  采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 240
小結(jié) 241
習(xí)題 242
第8章  非線性系統(tǒng)分析 245
8.1  非線性系統(tǒng)的一般概念 245
8.1.1  非線性系統(tǒng)的特點(diǎn) 245
8.1.2  典型非線性及對系統(tǒng)性能的影響 248
8.2  描述函數(shù)法 251
8.2.1  非線性特性的描述函數(shù) 251
8.2.2  非線性控制系統(tǒng)的描述函數(shù)分析 255
8.2.3  用MATLAB的Simulink仿真分析非線性控制系統(tǒng) 258
8.3  相平面法 259
8.3.1  相軌跡特征及性質(zhì) 259
8.3.2  相軌跡的繪制 265
8.3.3  利用MATLAB繪制相軌跡圖 267
8.4  非線性系統(tǒng)的相平面分析 268
8.4.1  用相平面法分析非線性系統(tǒng) 268
8.4.2  用非線性特性改善系統(tǒng)性能 271
小結(jié) 273
習(xí)題 274
參考文獻(xiàn) 276