現(xiàn)代控制工程（第五版）

第1章 控制系統(tǒng)簡介
1.1 引言
1.1.1 控制理論和實踐發(fā)展史的簡單回顧
1.1.2 定義
1.2 控制系統(tǒng)舉例
1.2.1 速度控制系統(tǒng)
1.2.2 溫度控制系統(tǒng)
1.2.3 業(yè)務(wù)系統(tǒng)
1.2.4 魯棒控制系統(tǒng)
1.3 閉環(huán)控制和開環(huán)控制
1.3.1 反饋控制系統(tǒng)
1.3.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)
1.3.3 開環(huán)控制系統(tǒng)
1.3.4 閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較
1.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計和校正
1.4.1 性能指標(biāo)
1.4.2 系統(tǒng)的校正
1.4.3 設(shè)計步驟
1.5 本書概況
第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
2.1 引言
2.1.1 數(shù)學(xué)模型
2.1.2 簡化性和精確性
2.1.3 線性系統(tǒng)
2.1.4 線性定常系統(tǒng)和線性時變系統(tǒng)
2.2 傳遞函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)
2.2.1 傳遞函數(shù)
2.2.2 傳遞函數(shù)的說明
2.2.3 卷積積分
2.2.4 脈沖響應(yīng)函數(shù)
2.3 自動控制系統(tǒng)
2.3.1 方框圖
2.3.2 閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖
2.3.3 開環(huán)傳遞函數(shù)和前向傳遞函數(shù)
2.3.4 閉環(huán)傳遞函數(shù)
2.3.5 用MATLAB求串聯(lián)、并聯(lián)和反饋（閉環(huán)）傳遞函數(shù)
2.3.6 自動控制器
2.3.7 工業(yè)控制器分類
2.3.8 雙位或開-關(guān)控制作用
2.3.9 比例控制作用
2.3.1 0積分控制作用
2.3.1 1比例-加-積分控制作用
2.3.1 2比例-加-微分控制作用
2.3.1 3比例-加-積分-加-微分控制作用
2.3.1 4擾動作用下的閉環(huán)系統(tǒng)
2.3.1 5畫方框圖的步驟
2.3.1 6方框圖的簡化
2.4 狀態(tài)空間模型
2.4.1 現(xiàn)代控制理論
2.4.2 現(xiàn)代控制理論與傳統(tǒng)控制理論的比較
2.4.3 狀態(tài)
2.4.4 狀態(tài)變量
2.4.5 狀態(tài)向量
2.4.6 狀態(tài)空間
2.4.7 狀態(tài)空間方程
2.4.8 傳遞函數(shù)與狀態(tài)空間方程之間的關(guān)系
2.4.9 傳遞矩陣
2.5 純量微分方程系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式
2.5.1 線性微分方程作用函數(shù)中不包含導(dǎo)數(shù)項的n階系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式
2.5.2 線性微分方程作用函數(shù)中包含導(dǎo)數(shù)項的n階系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式
2.6 用MATLAB進(jìn)行數(shù)學(xué)模型變換
2.6.1 由傳遞函數(shù)變換為狀態(tài)空間表達(dá)式
2.6.2 由狀態(tài)空間表達(dá)式變換為傳遞函數(shù)
2.7 非線性數(shù)學(xué)模型的線性化
2.7.1 非線性系統(tǒng)
2.7.2 非線性系統(tǒng)的線性化
2.7.3 非線性數(shù)學(xué)模型的線性近似
例題和解答
習(xí)題
第3章 機械系統(tǒng)和電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
3.1 引言
3.2 機械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
3.3 電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
3.3.1 LRC電路
3.3.2 串聯(lián)元件的傳遞函數(shù)
3.3.3 復(fù)阻抗
3.3.4 無負(fù)載效應(yīng)串聯(lián)元件的傳遞函數(shù)
3.3.5 電子控制器
3.3.6 運算放大器
3.3.7 反相放大器
3.3.8 非反相放大器
3.3.9 求傳遞函數(shù)的阻抗法
3.3.1 0利用運算放大器構(gòu)成的超前或滯后網(wǎng)絡(luò)
3.3.1 1利用運算放大器構(gòu)成的PID控制器
例題和解答
習(xí)題
第4章 流體系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
4.1 引言
4.2 液位系統(tǒng)
4.2.1 液位系統(tǒng)的液阻和液容
4.2.2 液位系統(tǒng)
4.2.3 相互有影響的液位系統(tǒng)
4.3 氣動系統(tǒng)
4.3.1 氣動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)之間的比較
4.3.2 氣動系統(tǒng)
4.3.3 壓力系統(tǒng)的氣阻和氣容
4.3.4 壓力系統(tǒng)
4.3.5 氣動噴嘴-擋板放大器
4.3.6 氣動接續(xù)器
4.3.7 氣動比例控制器（力-距離型）
4.3.8 氣動比例控制器（力-平衡型）
4.3.9 氣動執(zhí)行閥
4.3.1 0獲得微分控制作用的基本原理
4.3.1 1獲得氣動比例-加-積分控制作用的方法
4.3.1 2獲得氣動比例-加-積分-加-微分控制作用的方法
4.4 液壓系統(tǒng)
4.4.1 液壓系統(tǒng)
4.4.2 液壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點
4.4.3 說明
4.4.4 液壓伺服系統(tǒng)
4.4.5 液壓積分控制器
4.4.6 液壓比例控制器
4.4.7 緩沖器
4.4.8 獲得液壓比例-加-積分控制作用的方法
4.4.9 獲得液壓比例-加-微分控制作用的方法
4.4.1 0獲取液壓比例-加-積分-加-微分控制作用的方法
4.5 熱力系統(tǒng)
4.5.1 熱阻和熱容
4.5.2 熱力系統(tǒng)
例題和解答
習(xí)題
第5章 瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析
5.1 引言
5.1.1 典型試驗信號
5.1.2 瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)
5.1.3 絕對穩(wěn)定性、相對穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差
5.2 一階系統(tǒng)
5.2.1 一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
5.2.2 一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)
5.2.3 一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)
5.2.4 線性定常系統(tǒng)的重要特性
5.3 二階系統(tǒng)
5.3.1 伺服系統(tǒng)
5.3.2 二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)
5.3.3 瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)的定義
5.3.4 關(guān)于瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)的幾點說明
5.3.5 二階系統(tǒng)及其瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)
5.3.6 帶速度反饋的伺服系統(tǒng)
5.3.7 二階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)
5.4 高階系統(tǒng)
5.4.1 高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)
5.4.2 閉環(huán)主導(dǎo)極點
5.4.3 復(fù)平面上的穩(wěn)定性分析
5.5 用MATLAB進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析
5.5.1 引言
5.5.2 線性系統(tǒng)的MATLAB表示
5.5.3 在圖形屏幕上書寫文本
5.5.4 標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)的MATLAB描述
5.5.5 求傳遞函數(shù)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
5.5.6 用MATLAB繪制單位階躍響應(yīng)曲線的三維圖
5.5.7 用MATLAB求上升時間、峰值時間、最大過調(diào)量和調(diào)整時間
5.5.8 脈沖響應(yīng)
5.5.9 求脈沖響應(yīng)的另一種方法
5.5.1 0斜坡響應(yīng)
5.5.1 1在狀態(tài)空間中定義的系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)
5.5.1 2求對任意輸入信號的響應(yīng)
5.5.1 3對初始條件的響應(yīng)
5.5.1 4對初始條件的響應(yīng)（狀態(tài)空間法， 情況1）
5.5.1 5對初始條件的響應(yīng)（狀態(tài)空間法， 情況2）
5.5.1 6利用命令I(lǐng)nitial求對初始條件的響應(yīng)
5.6 勞斯穩(wěn)定判據(jù)
5.6.1 勞斯穩(wěn)定判據(jù)簡介
5.6.2 特殊情況
5.6.3 相對穩(wěn)定性分析
5.6.4 勞斯穩(wěn)定判據(jù)在控制系統(tǒng)分析中的應(yīng)用
5.7 積分和微分控制作用對系統(tǒng)性能的影響
5.7.1 積分控制作用
5.7.2 系統(tǒng)的比例控制
5.7.3 系統(tǒng)的積分控制
5.7.4 對轉(zhuǎn)矩擾動的響應(yīng)（比例控制）
5.7.5 對轉(zhuǎn)矩擾動的響應(yīng)（比例-加-積分控制）
5.7.6 微分控制作用
5.7.7 帶慣性負(fù)載系統(tǒng)的比例控制
5.7.8 帶慣性負(fù)載系統(tǒng)的比例-加-微分控制
5.7.9 二階系統(tǒng)的比例-加-微分控制
5.8 單位反饋控制系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)誤差
5.8.1 控制系統(tǒng)的分類
5.8.2 穩(wěn)態(tài)誤差
5.8.3 靜態(tài)位置誤差常數(shù)Kp
5.8.4 靜態(tài)速度誤差常數(shù)Kv
5.8.5 靜態(tài)加速度誤差常數(shù)Ka
5.8.6 小結(jié)
例題和解答
習(xí)題
第6章 利用根軌跡法進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計
6.1 引言
6.2 根軌跡圖
6.2.1 輻角和幅值條件
6.2.2 示例
6.2.3 根軌跡繪圖的一般規(guī)則
6.2.4 關(guān)于根軌跡圖的說明
6.2.5 G（s）的極點與H（s）的零點的抵消
6.2.6 典型的零-極點分布及其相應(yīng)的根軌跡
6.2.7 小結(jié)
6.3 用MATLAB繪制根軌跡圖
6.3.1 用MATLAB繪制根軌跡圖
6.3.2 定常ζ軌跡和定常ωn軌跡
6.3.3 在根軌跡圖上繪制極網(wǎng)格
6.3.4 條件穩(wěn)定系統(tǒng)
6.3.5 非最小相位系統(tǒng)
6.3.6 根軌跡與定常增益軌跡的正交性
6.3.7 求根軌跡上任意點的增益K值
6.4 正反饋系統(tǒng)的根軌跡圖
6.5 控制系統(tǒng)設(shè)計的根軌跡法
6.5.1 初步設(shè)計考慮
6.5.2 用根軌跡法進(jìn)行設(shè)計
6.5.3 串聯(lián)校正和并聯(lián)（或反饋）校正
6.5.4 常用校正裝置
6.5.5 增加極點的影響
6.5.6 增加零點的影響
6.6 超前校正
6.6.1 超前校正裝置和滯后校正裝置
6.6.2 基于根軌跡法的超前校正方法
6.6.3 已校正與未校正系統(tǒng)階躍響應(yīng)和斜坡響應(yīng)的比較
6.7 滯后校正
6.7.1 采用運算放大器的電子滯后校正裝置
6.7.2 基于根軌跡法的滯后校正方法
6.7.3 用根軌跡法進(jìn)行滯后校正設(shè)計的步驟
6.8 滯后-超前校正
6.8.1 利用運算放大器構(gòu)成的電子滯后-超前校正裝置
6.8.2 基于根軌跡法的滯后-超前校正方法
6.9 并聯(lián)校正
6.9.1 并聯(lián)校正系統(tǒng)設(shè)計的基本原理
6.9.2 速度反饋系統(tǒng)
例題和解答
習(xí)題
第7章 用頻率響應(yīng)法分析和設(shè)計控制系統(tǒng)
7.1 引言
7.1.1 求系統(tǒng)對正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)輸出
7.1.2 用圖形表示頻率響應(yīng)特性
7.2 伯德圖
7.2.1 伯德圖或?qū)?shù)坐標(biāo)圖
7.2.2 G（jω）H（jω）的基本因子
7.2.3 增益K
7.2.4 積分和微分因子（jω）1
7.2.5 一階因子（1+jωT）1
7.2.6 二階因子［1+2 ζ（jω/ωn）+（jω/ωn）2］1
7.2.7 諧振頻率ωr和諧振峰值Mr
7.2.8 繪制伯德圖的一般步驟
7.2.9 最小相位系統(tǒng)和非最小相位系統(tǒng)
7.2.1 0傳遞延遲
7.2.1 1系統(tǒng)類型與對數(shù)幅值曲線之間的關(guān)系
7.2.1 2靜態(tài)位置誤差常數(shù)的確定
7.2.1 3靜態(tài)速度誤差常數(shù)的確定
7.2.1 4靜態(tài)加速度誤差常數(shù)的確定
7.2.1 5用MATLAB繪制伯德圖
7.2.1 6繪制定義在狀態(tài)空間中的系統(tǒng)的伯德圖
7.3 極坐標(biāo)圖
7.3.1 積分和微分因子（jω）1
7.3.2 一階因子（1+jωT）1
7.3.3 二階因子［1+2ζ（jω/ωn）+（jω/ωn）2］1
7.3.4 極坐標(biāo)圖的一般形狀
7.3.5 用MATLAB繪制奈奎斯特圖
7.3.6 注意事項
7.3.7 繪制定義在狀態(tài)空間中的系統(tǒng)的奈奎斯特圖
7.4 對數(shù)幅-相圖
7.5 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)
7.5.1 預(yù)備知識
7.5.2 映射定理
7.5.3 映射定理在閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用
7.5.4 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)
7.5.5 關(guān)于奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的幾點說明
7.5.6 G（s）H（s）含有位于jω軸上的極點和（或）零點的特殊情況
7.6 穩(wěn)定性分析
7.6.1 條件穩(wěn)定系統(tǒng)
7.6.2 多回路系統(tǒng)
7.6.3 應(yīng)用于逆極坐標(biāo)圖上的奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)
7.7 相對穩(wěn)定性分析
7.7.1 相對穩(wěn)定性
7.7.2 通過保角變換進(jìn)行相對穩(wěn)定性分析
7.7.3 相位裕量和增益裕量
7.7.4 關(guān)于相位裕量和增益裕量的幾點說明
7.7.5 用MATLAB求增益裕量、相位裕量、相位交界頻率和增益交界頻率
7.7.6 諧振峰值幅值Mr和諧振峰值頻率ωr
7.7.7 標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)中階躍瞬態(tài)響應(yīng)與頻率響應(yīng)之間的關(guān)系
7.7.8 一般系統(tǒng)中的階躍瞬態(tài)響應(yīng)與頻率響應(yīng)之間的關(guān)系
7.7.9 截止頻率和帶寬
7.7.1 0剪切率
7.7.1 1獲得諧振峰值、諧振頻率和帶寬的MATLAB方法
7.8 單位反饋系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應(yīng)
7.8.1 閉環(huán)頻率響應(yīng)
7.8.2 等幅值軌跡（M圓）
7.8.3 等相角軌跡（N圓）
7.8.4 尼柯爾斯圖
7.9 傳遞函數(shù)的實驗確定法
7.9.1 正弦信號產(chǎn)生器
7.9.2 由伯德圖求最小相位傳遞函數(shù)
7.9.3 非最小相位傳遞函數(shù)
7.9.4 關(guān)于實驗確定傳遞函數(shù)的幾點說明
7.1 0利用頻率響應(yīng)法設(shè)計控制系統(tǒng)
7.1 0.1 從開環(huán)頻率響應(yīng)可以獲得的信息
7.1 0.2 對開環(huán)頻率響應(yīng)的要求
7.1 0.3 超前、 滯后和滯后-超前校正的基本特性
7.1 1超前校正
7.1 1.1 超前校正裝置特性
7.1 1.2 基于頻率響應(yīng)法的超前校正
7.1 2滯后校正
7.1 2.1 滯后校正裝置的特性
7.1 2.2 基于頻率響應(yīng)法的滯后校正
7.1 2.3 關(guān)于滯后校正的一些說明
7.1 3滯后-超前校正
7.1 3.1 滯后-超前校正裝置的特性
7.1 3.2 基于頻率響應(yīng)法的滯后-超前校正
7.1 3.3 用頻率響應(yīng)法設(shè)計控制系統(tǒng)小結(jié)
7.1 3.4 超前、滯后和滯后-超前校正的比較
7.1 3.5 圖形對比
7.1 3.6 反饋校正
7.1 3.7 不希望極點的抵消
7.1 3.8 不希望的共軛復(fù)數(shù)極點的抵消
7.1 3.9 結(jié)束語
例題和解答
習(xí)題
第8章 PID控制器和變形PID控制器
8.1 引言
8.2 PID控制器的齊格勒-尼柯爾斯調(diào)節(jié)法則
8.2.1 控制對象的PID控制
8.2.2 用來調(diào)整PID控制器的齊格勒-尼柯爾斯法則
8.2.3 第一種方法
8.2.4 第二種方法
8.2.5 說明
8.3 用頻率響應(yīng)法設(shè)計PID控制器
8.4 利用計算最佳化方法設(shè)計PID控制器
8.5 PID控制方案的變形
8.5.1 PID控制
8.5.2 IPD控制
8.5.3 二自由度PID控制
8.6 二自由度控制
8.7 改善響應(yīng)特性的零點配置法
8.7.1 零點配置
8.7.2 對系統(tǒng)響應(yīng)特性的要求
8.7.3 確定Gc2
例題和解答
習(xí)題
第9章 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析
9.1 引言
9.2 傳遞函數(shù)的狀態(tài)空間表達(dá)式
9.2.1 狀態(tài)空間標(biāo)準(zhǔn)形的表達(dá)式
9.2.2 n×n維矩陣A的特征值
9.2.3 n×n維矩陣的對角化
9.2.4 特征值的不變性
9.2.5 狀態(tài)變量組的非唯一性
9.3 用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)模型變換
9.3.1 傳遞函數(shù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式
9.3.2 由狀態(tài)空間表達(dá)式到傳遞函數(shù)的變換
9.4 定常系統(tǒng)狀態(tài)方程的解
9.4.1 齊次狀態(tài)方程的解
9.4.2 矩陣指數(shù)
9.4.3 齊次狀態(tài)方程的拉普拉斯變換解法
9.4.4 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣
9.4.5 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的性質(zhì)
9.4.6 非齊次狀態(tài)方程的解
9.4.7 非齊次狀態(tài)方程的拉普拉斯變換解法
9.4.8 初始狀態(tài)為x（t0）的解
9.5 向量矩陣分析中的若干結(jié)果
9.5.1 凱萊-哈密頓定理
9.5.2 最小多項式
9.5.3 矩陣指數(shù)eAt
9.5.4 向量的線性無關(guān)
9.6 可控性
9.6.1 可控性和可觀測性
9.6.2 連續(xù)時間系統(tǒng)的狀態(tài)完全可控性
9.6.3 狀態(tài)完全可控性條件的另一種形式
9.6.4 在s平面上狀態(tài)完全可控的條件
9.6.5 輸出可控性
9.6.6 不可控系統(tǒng)
9.6.7 可穩(wěn)定性
9.7 可觀測性
9.7.1 連續(xù)時間系統(tǒng)的完全可觀測性
9.7.2 在s平面上完全可觀測性的條件
9.7.3 完全可觀測性條件的另一種形式
9.7.4 對偶原理
9.7.5 可檢測性
例題和解答
習(xí)題
第10章 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計
10.1 引言
10.2 極點配置
10.2.1 極點配置設(shè)計
10.2.2 任意配置極點的充分必要條件
10.2.3 用變換矩陣T確定矩陣K
10.2.4 用直接代入法確定矩陣K
10.2.5 用阿克曼公式確定矩陣K
10.2.6 調(diào)節(jié)器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)
10.2.7 選擇希望的閉環(huán)極點的位置
10.2.8 說明
10.3 用MATLAB解極點配置問題
10.4 伺服系統(tǒng)設(shè)計
10.4.1 當(dāng)控制對象含有一個積分器時的I型伺服系統(tǒng)設(shè)計
10.4.2 當(dāng)控制對象無積分器時的I型伺服系統(tǒng)設(shè)計
10.5 狀態(tài)觀測器
10.5.1 狀態(tài)觀測器原理
10.5.2 全階狀態(tài)觀測器
10.5.3 對偶問題
10.5.4 狀態(tài)觀測的充分必要條件
10.5.5 求狀態(tài)觀測器增益矩陣Ke的變換法
10.5.6 求狀態(tài)觀測器增益矩陣Ke的直接代入法
10.5.7 阿克曼公式
10.5.8 最佳Ke選擇的注釋
10.5.9 觀測器的引入對閉環(huán)系統(tǒng)的影響
10.5.1 0基于觀測器的控制器傳遞函數(shù)
10.5.1 1最小階觀測器
10.5.1 2具有最小階觀測器的觀測-狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)
10.5.1 3用MATLAB確定觀測器增益矩陣Ke
10.5.1 4基于最小階觀測器的控制器傳遞函數(shù)
10.6 帶觀測器的調(diào)節(jié)器系統(tǒng)設(shè)計
10.7 帶觀測器的控制系統(tǒng)設(shè)計
10.7.1 說明
10.7.2 狀態(tài)空間設(shè)計法結(jié)語
10.8 二次型最佳調(diào)節(jié)器系統(tǒng)
10.8.1 二次型最佳調(diào)節(jié)器問題
10.8.2 用MATLAB解二次型最佳調(diào)節(jié)器問題
10.8.3 結(jié)論
10.9 魯棒控制系統(tǒng)
10.9.1 控制對象的動態(tài)特性中的不確定因素
10.9.2 H∞范數(shù)
10.9.3 小增益定理
10.9.4 具有非結(jié)構(gòu)不確定性的系統(tǒng)
10.9.5 由廣義控制對象圖求傳遞函數(shù)z（s）/w（s）
10.9.6 H無窮大控制問題
10.9.7 解魯棒控制問題
例題和解答
習(xí)題
附錄A拉普拉斯變換表
附錄B部分分式展開
附錄C向量矩陣代數(shù)
參考文獻(xiàn)