自動控制原理

目　錄
第1章　緒論　1
1．1　自動控制系統(tǒng)的基本概念　1
1．1．1　自動控制系統(tǒng)　1
1．1．2　開環(huán)控制與閉環(huán)控制　1
1．2　自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成和分類　4
1．2．1　自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成　4
1．2．2　自動控制系統(tǒng)的分類　5
1．3　自動控制理論的發(fā)展歷史　6
1．3．1　經(jīng)典控制論階段(20世紀(jì)50年代末期以前)　6
1．3．2　現(xiàn)代控制論階段(20世紀(jì)50年代末期至70年代初期)　7
1．3．3　大系統(tǒng)理論階段與智能控制理論階段(20世紀(jì)70年代初期至現(xiàn)在)　7
1．4　自動控制系統(tǒng)性能的基本要求和本課程的任務(wù)　8
1．4．1　自動控制系統(tǒng)性能的基本要求　8
1．4．2　本課程的任務(wù)　9
1．5　自動控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用　10
1．5．1　電加熱爐溫度控制系統(tǒng)　10
1．5．2　工作臺位置控制系統(tǒng)　10
1．5．3　飛機(jī)自動駕駛控制系統(tǒng)　11
1．5．4　火炮方位角控制系統(tǒng)　12
1．5．5　水箱液位控制系統(tǒng)　12
1．6　自動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)工具——Matlab　13
1．6．1　Matlab簡介　13
1．6．2　Matlab控制系統(tǒng)工具箱　13
習(xí)題　14
第2章　數(shù)學(xué)基礎(chǔ)　15
2．1　拉普拉斯變換　15
2．1．1　拉普拉斯變換的定義　15
2．1．2　拉普拉斯變換的性質(zhì)　16
2．2　拉普拉斯反變換　20
2．2．1　拉普拉斯反變換的定義　20
2．2．2　拉普拉斯反變換的部分分式展開　20
2．3　Matlab運(yùn)算基礎(chǔ)　25
2．3．1　矩陣運(yùn)算　25
2．3．2　符號運(yùn)算　28
2．3．3　關(guān)系運(yùn)算和邏輯運(yùn)算　31
習(xí)題　33
第3章　線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型　34
3．1　系統(tǒng)的時(shí)域模型　34
3．1．1　線性系統(tǒng)的微分方程　34
3．1．2　線性微分方程的求解　36
3．2　系統(tǒng)的復(fù)數(shù)域模型　37
3．2．1　傳遞函數(shù)的定義　37
3．2．2　傳遞函數(shù)的性質(zhì)　38
3．2．3　傳遞函數(shù)的求法　39
3．2．4　典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)　41
3．3　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及其等效變換　45
3．3．1　結(jié)構(gòu)框圖的組成　45
3．3．2　結(jié)構(gòu)框圖的繪制　46
3．3．3　結(jié)構(gòu)框圖的等效變換　47
3．3．4　結(jié)構(gòu)框圖的化簡　51
3．4　信號流圖與梅森公式　53
3．4．1　信號流圖　53
3．4．2　梅森公式　55
3．5　Matlab控制系統(tǒng)工具箱及數(shù)學(xué)建模應(yīng)用　56
3．5．1　Matlab控制系統(tǒng)工具箱簡介　56
3．5．2　Matlab控制系統(tǒng)工具箱在數(shù)學(xué)建模中的應(yīng)用　57
習(xí)題　61
第4章　時(shí)域分析　64
4．1　控制系統(tǒng)典型測試信號　64
4．1．1　階躍函數(shù)　64
4．1．2　斜坡函數(shù)　64
4．1．3　加速度函數(shù)　65
4．1．4　單位脈沖函數(shù)與單位沖激函數(shù)　65
4．1．5　正弦函數(shù)　65
4．2　控制系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)及其性能指標(biāo)　66
4．2．1　系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)　66
4．2．2　時(shí)間響應(yīng)的性能指標(biāo)　67
4．3　一階系統(tǒng)的時(shí)域分析　68
4．3．1　一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型　68
4．3．2　一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)　69
4．3．3　一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)　69
4．3．4　一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)　70
4．3．5　一階系統(tǒng)的單位加速度響應(yīng)　71
4．4　二階系統(tǒng)的時(shí)域分析　71
4．4．1　二階系統(tǒng)的典型形式　71
4．4．2　二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)　73
4．4．3　二階欠阻尼系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)　76
4．4．4　二階系統(tǒng)時(shí)域分析計(jì)算舉例　78
4．4．5　二階系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)　80
4．4．6　二階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)　80
4．5　高階系統(tǒng)的時(shí)域分析　81
4．6　Matlab在時(shí)域分析中的應(yīng)用　82
4．6．1　函數(shù)step()　82
4．6．2　函數(shù)impulse()　84
4．6．3　函數(shù)gensig()　85
4．6．4　函數(shù)lsim()　85
習(xí)題　88
第5章　根軌跡法　90
5．1　根軌跡法的基本概念　90
5．1．1　根軌跡的基本概念　90
5．1．2　根軌跡與系統(tǒng)性能　91
5．1．3　閉環(huán)零、極點(diǎn)與開環(huán)零、極點(diǎn)之間的關(guān)系　92
5．1．4　根軌跡方程　93
5．2　繪制根軌跡的基本法則　95
5．3　廣義根軌跡　104
5．3．1　參數(shù)根軌跡　105
5．3．2　零度根軌跡　106
5．4　利用根軌跡分析系統(tǒng)性能　109
5．4．1　利用閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)估算系統(tǒng)的性能指標(biāo)　109
5．4．2　開環(huán)零、極點(diǎn)分布對系統(tǒng)性能的影響　113
5．5　Matlab在根軌跡法中的應(yīng)用　115
5．5．1　pzmap()函數(shù)　115
5．5．2　rlocus()函數(shù)　116
5．5．3　rlocfind()函數(shù)　117
習(xí)題　118
第6章　頻域分析　119
6．1　頻率特性的基本概念　119
6．1．1　RC網(wǎng)絡(luò)　119
6．1．2　頻率特性的定義　120
6．1．3　頻率特性的表示方法　121
6．1．4　頻率特性與傳遞函數(shù)之間的關(guān)系　122
6．1．5　頻率特性的性質(zhì)　122
6．2　奈奎斯特圖分析法　123
6．2．1　典型環(huán)節(jié)的奈奎斯特圖　123
6．2．2　奈奎斯特圖的畫法　127
6．3　開環(huán)系統(tǒng)的伯德圖分析法　128
6．3．1　伯德圖的基本概念　128
6．3．2　典型環(huán)節(jié)的伯德圖　129
6．3．3　開環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖畫法　135
6．4　系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性　137
6．4．1　閉環(huán)頻率特性　137
6．4．2　閉環(huán)頻率特性曲線的繪制　138
6．4．3　閉環(huán)頻率指標(biāo)　139
6．5　頻域性能指標(biāo)與時(shí)域性能指標(biāo)之間的關(guān)系　140
6．5．1　時(shí)域性能指標(biāo)　140
6．5．2　頻域性能指標(biāo)　140
6．5．3　頻域指標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)之間的關(guān)系　141
6．6　Matlab在頻域分析中的應(yīng)用　142
6．6．1　nyquist曲線的繪制　142
6．6．2　Bode圖的繪制　143
習(xí)題　146
第7章　系統(tǒng)穩(wěn)定性分析　148
7．1　系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念　148
7．2　線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件　149
7．3　勞斯穩(wěn)定判據(jù)　151
7．4　奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)　154
7．4．1　輔助函數(shù)的構(gòu)造　154
7．4．2　輔角定理　155
7．4．3　奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)　156
7．5　對數(shù)頻率特性的穩(wěn)定判據(jù)　157
7．6　系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性分析　158
7．6．1　相角裕量g　158
7．6．2　增益裕量　159
7．7　Matlab在系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用　160
7．7．1　用時(shí)域分析法判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性　160
7．7．2　用根軌跡法判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性　162
7．7．3　用頻率法判定系統(tǒng)穩(wěn)定性　163
習(xí)題　166
第8章　誤差分析　167
8．1　穩(wěn)態(tài)誤差的基本概念　167
8．2　給定信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差及計(jì)算　170
8．2．1　階躍輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)位置誤差系數(shù)　170
8．2．2　斜坡輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)速度誤差系數(shù)　170
8．2．3　加速度輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)加速度誤差系數(shù)　172
8．2．4　動態(tài)誤差系數(shù)　174
8．3　擾動信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差及計(jì)算　175
8．4　改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的方法　176
8．4．1　增大系統(tǒng)開環(huán)增益或擾動作用點(diǎn)之前系統(tǒng)的前向通道增益　176
8．4．2　在系統(tǒng)的前向通道或主反饋通道設(shè)置串聯(lián)積分環(huán)節(jié)　177
8．4．3　采用串級控制抑制內(nèi)回路擾動　178
8．4．4　采用復(fù)合控制方法　180
習(xí)題　180
第9章　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正　181
9．1　概述　181
9．1．1　綜合與校正的基本原則　181
9．1．2　校正方式　182
9．2　超前校正　183
9．2．1　超前校正的基本形式　184
9．2．2　超前校正的設(shè)計(jì)步驟　185
9．3　滯后校正　186
9．3．1　滯后校正的基本形式　186
9．3．2　滯后校正的設(shè)計(jì)步驟　187
9．4　滯后-超前校正　189
9．4．1　滯后-超前校正的基本形式　189
9．4．2　滯后-超前校正的設(shè)計(jì)步驟　189
9．5　PID控制規(guī)則　191
9．5．1　比例(P)控制器　192
9．5．2　積分(I)控制器　193
9．5．3　微分(D)控制器　194
9．5．4　比例-積分(PI)控制器　194
9．5．5　比例-微分(PD)控制器　195
9．5．6　比例-積分-微分(PID)控制器　196
9．6　Matlab在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與校正中的應(yīng)用　197
9．6．1　使用Matlab進(jìn)行超前校正　197
9．6．2　使用Matlab進(jìn)行滯后校正　199
9．6．3　使用Matlab進(jìn)行滯后-超前校正　200
習(xí)題　203
附錄1　常用拉氏變換表　205
附錄2　常用校正裝置　206
附錄3　控制系統(tǒng)工具箱中的常用Matlab命令　207
參考文獻(xiàn)　208