自動控制原理

目　　錄

第1章　自動控制系統(tǒng)的基本概念 1
1．1　控制系統(tǒng)的基本形式 2
1．1．1　人工控制 2
1．1．2　自動控制 2
1．2　自動控制系統(tǒng)的組成 3
1．2．1　系統(tǒng)框圖 3
1．2．2　典型反饋控制系統(tǒng) 4
1．3　自動控制系統(tǒng)的分類 5
1．3．1　按控制系統(tǒng)的結構分類 5
1．3．2　按給定信號的類型分類 6
1．3．3　按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間
變化分類 6
1．3．4　按控制系統(tǒng)的動態(tài)特性分類 6
1．3．5　按信號傳遞的連續(xù)性分類 7
1．4　控制系統(tǒng)的基本要求 7
1．4．1　穩(wěn)定性 8
1．4．2　動態(tài)特性 8
1．4．3　穩(wěn)態(tài)特性 8
習題 9
第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 10
2．1　拉普拉斯變換 11
2．1．1　拉普拉斯變換定義 11
2．1．2　拉普拉斯變換基本性質(zhì) 12
2．1．3　拉普拉斯反變換 15
2．2　控制系統(tǒng)的微分方程 17
2．2．1　機械系統(tǒng) 17
2．2．2　電路系統(tǒng) 19
2．2．3　機電系統(tǒng) 19
2．3　傳遞函數(shù) 20
2．3．1　傳遞函數(shù)定義 20
2．3．2　傳遞函數(shù)性質(zhì) 21
2．4　典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 22
2．4．1　比例環(huán)節(jié) 22
2．4．2　積分環(huán)節(jié) 23
2．4．3　微分環(huán)節(jié) 24
2．4．4　慣性環(huán)節(jié) 25
2．4．5　振蕩環(huán)節(jié) 25
2．4．6　延遲環(huán)節(jié) 25
2．5　控制系統(tǒng)的結構圖 26
2．5．1　結構圖組成要素及繪制方法 27
2．5．2　結構圖的等效變換 28
2．6　信號流程圖與梅遜公式 34
2．6．1　常用術語及其定義 35
2．6．2　信號流程圖繪制方法 35
2．6．3　梅遜增益公式 37
2．6．4　用梅遜公式求傳遞函數(shù) 38
2．7　控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 38
2．7．1　前向通路傳遞函數(shù) 39
2．7．2　開環(huán)傳遞函數(shù) 39
2．7．3　閉環(huán)傳遞函數(shù) 39
2．8　傳遞函數(shù)的MATLAB描述 42
2．8．1　有理函數(shù)模型 42
2．8．2　零極點模型 42
2．8．3　系統(tǒng)模型的連接和簡化 43
2．8．4　有理分式模型與零極點模型的
轉換 44
習題 45
第3章 控制系統(tǒng)的時域分析法 50
3．1　典型輸入信號及時域性能指標 51
3．1．1　典型輸入信號 51
3．1．2　時域性能指標 53
3．2　一階系統(tǒng)的時域分析 54
3．2．1　一階系統(tǒng)的單位階躍響應 55
3．2．2　一階系統(tǒng)的單位斜坡響應 56
3．2．3　一階系統(tǒng)的單位脈沖響應 58
3．2．4　一階系統(tǒng)的單位加速度響應 59
3．3　二階系統(tǒng)的時域分析 60
3．3．1　典型的二階系統(tǒng)模型 60
3．3．2　二階系統(tǒng)的單位階躍響應 60
3．3．3　二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應指標 63
3．3．4　高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應 67
3．4　控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 67
3．4．1　穩(wěn)定性的基本概念 67
3．4．2　線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件 68
3．4．3　勞斯穩(wěn)定性判據(jù) 69
3．4．4　MATLAB穩(wěn)定性判斷方法 71
3．5　穩(wěn)態(tài)誤差分析及計算 72
3．5．1　誤差及穩(wěn)態(tài)誤差的定義 72
3．5．2　給定輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差
計算 73
3．5．3　擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差計算 77
3．5．4　給定輸入、擾動共同作用下的
穩(wěn)態(tài)誤差計算 78
3．5．5　減小穩(wěn)態(tài)誤差的方法及
復合控制 81
習題 83
第4章 控制系統(tǒng)的根軌跡法 86
4．1　根軌跡的基本概念 87
4．1．1　系統(tǒng)的根軌跡 87
4．1．2　根軌跡的幅值條件和相角
條件 88
4．2　繪制根軌跡的基本規(guī)則 89
4．2．1　基本規(guī)則 89
4．2．2　根軌跡繪制舉例 95
4．3　參量根軌跡及系統(tǒng)性能的
根軌跡分析 100
4．3．1　參量根軌跡 100
4．3．2　系統(tǒng)性能的根軌跡分析 101
習題 104
第5章 控制系統(tǒng)的頻域分析法 106
5．1　頻率特性的基本知識 107
5．1．1　頻率特性的物理概念 107
5．1．2　頻率特性的定義 107
5．2　頻率特性的圖示 110
5．2．1　奈奎斯特圖 110
5．2．2　伯德圖 111
5．2．3　尼柯爾斯圖 112
5．3　典型環(huán)節(jié)的頻率特性 112
5．3．1　比例環(huán)節(jié)的頻率特性 113
5．3．2　積分環(huán)節(jié)的頻率特性 114
5．3．3　慣性環(huán)節(jié)的頻率特性 115
5．3．4　振蕩環(huán)節(jié)的頻率特性 117
5．3．5　微分環(huán)節(jié)的頻率特性 119
5．3．6　延遲環(huán)節(jié)的頻率特性 120
5．4　開環(huán)系統(tǒng)頻率特性圖繪制 122
5．4．1　開環(huán)系統(tǒng)伯德圖的繪制 122
5．4．2　最小相位系統(tǒng)和非最小
相位系統(tǒng) 126
5．5　頻率域穩(wěn)定性分析 127
5．5．1　奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù) 128
5．5．2　控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量 138
5．6　開環(huán)頻域指標與時域指標
之間的關系 141
5．6．1　控制系統(tǒng)的主要性能指標 141
5．6．2　開環(huán)頻域指標與時域指標
之間的關系 141
5．7　MATLAB頻域分析 145
5．7．1　線性系統(tǒng)的頻域分析 145
5．7．2　頻域分析性能指標 146
習題 150
第6章 控制系統(tǒng)的分析與校正 152
6．1　控制系統(tǒng)校正 153
6．1．1　校正的基本概念 153
6．1．2　校正的基本方式 153
6．1．3　系統(tǒng)校正的方法 153
6．2　串聯(lián)超前校正 154
6．2．1　相位超前校正裝置 154
6．2．2　相位超前校正裝置的作用 156
6．2．3　校正方法 158
6．3　串聯(lián)滯后校正 159
6．3．1　相位滯后校正裝置 159
6．3．2　相位滯后校正裝置的作用 161
6．3．3　校正方法 162
6．4　串聯(lián)滯后-超前校正 163
6．4．1　相位滯后-超前校正裝置 163
6．4．2　相位滯后-超前校正裝置的
作用 164
6．4．3　校正方法 165
6．5　PID校正 166
6．5．1　比例積分（PI）控制器 167
6．5．2　比例微分（PD）控制器 168
6．5．3　比例積分微分（PID）
控制器 169
習題 169
第7章 離散控制系統(tǒng) 170
7．1　引言 171
7．2　采樣系統(tǒng) 171
7．3　Z變換 173
7．3．1　Z變換 173
7．3．2　Z變換的基本定理 174
7．3．3　Z反變換 176
7．4　脈沖傳遞函數(shù) 179
7．4．1　脈沖傳遞函數(shù)定義 179
7．4．2　串聯(lián)環(huán)節(jié)的脈沖傳遞函數(shù) 180
7．5　線性離散系統(tǒng)的脈沖傳遞
函數(shù) 182
7．6　線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性 185
7．6．1　S平面到Z平面的映射關系 185
7．6．2　線性離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要
條件 186
7．6．3　勞斯穩(wěn)定判據(jù) 187
7．7　線性離散系統(tǒng)的時域分析 188
7．7．1　極點在Z平面的分布與
瞬態(tài)響應 188
7．7．2　線性離散系統(tǒng)的時間響應 190
7．7．3　線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 191
習題 192
第8章 MATLAB語言及其仿真實驗 195
8．1　MATLAB語言簡介 196
8．1．1　MATLAB的應用基礎 196
8．1．2　MATLAB函數(shù) 197
8．1．3　繪制響應曲線 198
8．1．4　MATLAB語言的聯(lián)機
幫助功能 200
8．2　MATLAB語言基礎實驗 200
實驗一　MATLAB語言平臺 200
實驗二　MATLAB數(shù)值運算 203
實驗三　MATLAB繪圖 207
實驗四　MATLAB句柄繪圖 211
8．3　控制理論仿真實驗 213
實驗五　控制系統(tǒng)的建模 213
實驗六　控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性
分析實驗 218
實驗七　控制系統(tǒng)的時域分析實驗 220
實驗八　控制系統(tǒng)的根軌跡分析 221
實驗九　控制系統(tǒng)的頻域分析 221
實驗十　S函數(shù)的編寫及應用 222
習題 227
附錄A　常用函數(shù)的拉普拉斯變換
對照表 229
附錄B　常用函數(shù)的Z變換表 230
附錄C　控制系統(tǒng)中英文對照表 231
附錄D　控制系統(tǒng)MATLAB常用函數(shù) 236
參考文獻 244