自動控制理論

本書系統全面地介紹了經典控制理論的基本內容，主要包括：自動控制概論、控制系統的數學模型、線性系統的時域分析法、線性系統的根軌跡法、線性系統的頻域分析法、線性系統的綜合與校正、採樣控制系統。同時，介紹了MATLAB軟體在自動控制系統模擬中的基本應用。為便於讀者深入理解本書的重要概念，每章都選配了一定數量的習題並提供部分參考答案。

序

前言

第1章 緒論

1.1 自動控制與自動控制系統

1.2 自動控制系統

1.2.1 自動控制系統的組成

1.2.2 自動控制系統的原理框圖

1.2.3 原理框圖上的術語

1.2.4 自動控制系統原理框圖的繪製

1.3 自動控制的基本方式

1.4 自動控制系統的分類

1.5 對自動控制系統的要求

1.6 自動控制系統與控制理論

1.7 自動控制理論發展概況

1.8 本課程的基本任務

小結

習題

第2章 控制系統的數學模型

2.1 引言

2.2 控制系統的微分方程

2.2.1 動態系統微分方程的建立

2.2.2 非線性微分方程的線性化

2.2.3 用拉普拉斯變換求解線性常係數微分方程

2.3 線性定常系統的傳遞函數

2.3.1 傳遞函數的定義

2.2.2 傳遞函數的一般形式

2.3.3 關於傳遞函數的幾點說明

2.3.4 典型環節及其傳遞函數

2.3.5 控制系統的傳遞函數

2.4 控制系統的結構圖

2.4.1 結構圖的組成

2.4.2 結構圖的繪製

2.4.3 結構圖的等效變換

6.5 控制系統的信號流圖

2.5.1 信號流圖的概念

2.5.2 信號流圖的繪製

2.5.3 信號流圖的等效變換

2.5.4 梅遜增益公式

2.6 閉環控制系統中幾個常用的傳遞函數概念

2.7 應用MATLAB建立控制系統

模型

小結

習題

第3章 控制系統的時域分析

3.1 引言

3.1.1 典型初始狀態

3.1.2 典型輸入信號

3.1.3 典型時間響應

3.1.4 性能指標

3.2 一階系統的時域分析

3.2.1 一階系統的數學模型

3.2.2 一階系統的響應

3.3 二階系統的時域分析

3.3.1 二階系統的數學模型

3.3.2 二階系統的單位階躍響應

3.3.3 二階系統的單位脈衝響應

3.3.4 二階系統的單位斜坡響應

3.3.5 二階系統瞬態性能的改善

3.3.6 非零初始條件下二階系統的響應

3.4 高階系統的時域分析

3.4.1 高階系統的階躍響應

3.4.2 閉環主導極點和偶極子

3.4.3 高階系統瞬態性能估算

3.5 線性定常系統的穩定性分析

3.5.1 穩定的基本概念

3.5.2 線性定常系統穩定的數學條件

3.5.3 穩定判據

3.6 線性系統的穩態誤差計算

3.6.1 誤差與穩態誤差

3.6.2 典型輸入信號作用下的穩態誤差計算

3.6.3 典型擾動信號作用下的穩態誤差計算

3.6.4 減小或消除穩態誤差的措施

3.7 控制系統的靈敏度

3.7.1 控制系統靈敏度的定義

3.7.2 控制系統靈敏度分析

3.8 用MATLAB進行控制系統時域分析

3.8.1 用MATLAB求控制系統的輸出響應

3.8.2 用MATLAB求控制系統的參數

3.8.3 用MATLAB判斷控制系統的穩定性

3.8.4 用MATLAB計算靜態誤差

係數

小結

習題

第4章 根軌跡法

4.1 引言

4.2 繪製根軌跡的依據

4.2.1 閉環零. 極點和開環零. 極點的關係

4.2.2 根軌跡方程

4.3 根軌跡的繪製規則及控制系統閉環極點的確定

4.3.1 根軌跡的繪製規則

4.3.2 控制系統閉環極點的確定

4.4 利用根軌跡分析系統性能

4.5 參數根軌跡及根軌跡簇

4.5.1 參數根軌跡

4.5.2 幾個參變數的根軌跡簇

4.5.3 多環系統的根軌跡

4.6 零度根軌跡

4.6.1 零度根軌跡的定義

4.6.2 零度根軌跡的繪製規則

4.7 延遲系統的根軌跡

4.7.1 延遲系統根軌跡的繪製依據

4.7.2 延遲系統根軌跡的繪製規則

4.8 用MATLAB繪製根軌跡

4.8.1 根軌跡的繪製

4.8.2 根軌跡增益K*和閉環極點位置的確定

小結

習題

第5章 控制系統的頻域分析

5.1 頻率特性

5.1.1 頻率特性的基本概念

5.1.2 頻率特性的幾何表示

5.2 典型環節的頻率特性

5.2.1 比例環節

5.2.2 慣性環節

5.2.3 一階微分環節

5.2.4 積分環節

5.2.5 微分環節

5.2.6 振蕩環節

5.2.7 二階微分環節

5.2.8 不穩定環節

5.2.9 延遲環節

5.3 系統開環頻率特性的繪製

5.3.1 最小相位系統和非最小相位系統

5.3.2 開環幅相曲線的繪製

5.3.3 開環對數頻率特性曲線的繪製

5.4 乃奎斯特穩定判據及系統穩定性的判斷

5.4.1 映射定理

5.4.2 乃奎斯特穩定判據

5.4.3 虛軸上有開環極點時的乃氏判據

5.4.4 根據博德圖判斷系統的穩定性

5.4.5 條件穩定系統

5.4.6 應用對數頻率穩定判據判斷多環系統穩定性

5.5 系統的相對穩定性和穩定裕度

5.6 系統的閉環頻率特性

5.6.1 等M圓圖

5.6.2 等N圓圖

5.6.3 尼柯爾斯圖線

5.6.4 非單位反饋系統的閉環頻率特性

5.7 系統時域指標估算

5.7.1 頻域性能指標

5.7.2 頻率尺度與時間尺度的反比性質

5.7.3 二階系統時域指標估算

5.7.4 高階系統時域指標估算

5.7.5 根據閉環幅頻特性形狀估算時域指標

5.7.6 開環頻率特性和時域指標的關係

5.8 用MATLAB進行控制系統頻域分析

5.9 傳遞函數的實驗確定法

5.9.1 頻率響應實驗確定數學模型的原理

5.9.2 包含延遲環節傳遞函數的確定

5.9.3 國產BT-6A型超低頻頻率特性測試儀

小結

習題

第6章 線性系統的校正

6.1 引言

6.1.1 控制系統的設計

6.1.2 性能指標

6.1.3 校正的作用

6.1.4 校正方式

6.1.5 校正裝置的設計方法

6.2 常用的串聯校正裝置及其特性

6.2.1 超前校正網路

6.2.2 滯后校正網路

6.2.3 滯后-超前校正網路

6.2.4 有源校正網路

6.3 串聯校正：頻域分析法

6.3.1 串聯超前校正

6.3.2 串聯滯后校正

6.3.3 串聯滯后-超前校正

6.4 串聯校正：根軌跡分析法

6.4.1 串聯超前校正

6.4.2 串聯滯后校正

6.4.3 串聯滯后-超前校正

6.5 串聯校正：頻域綜合法

6.5.1 繪製希望的開環頻率特性

6.5.2 頻域綜合法設計串聯校正裝置

6.6 串聯校正：PID控制器的工程設計方法

6.6.1 PID控制規律

6.6.2 PID串聯校正的工程設計方法

6.7 反饋校正

6.7.1 反饋校正的作用

6.7.2 反饋校正的頻域綜合法

6.8 複合校正

6.8.1 複合校正的概念

6.8.2 按擾動補償的複合控制系統

6.8.3 按輸入補償的複合控制系統

6.9 延遲系統的校正

6.9.1 用帕德展開法處理e-TS環節

6.9.2 史密斯預估補償方案

6.10 MATLAB在系統校正中的

應用

小結

習題

第7章 線性離散控制系統

7.1 引言

7.1.1 離散控制系統的結構

7.1.2 離散控制系統的研究方法

7.2 信號的採樣與恢復

7.2.1 採樣過程及採樣信號的表示

7.2.2 採樣信號的拉普拉斯變換

7.2.3 採樣信號的頻譜

7.2.4 採樣定理

7.2.5 採樣周期的選取

7.2.6 信號的恢復

7.3 Z變換與Z反變換

7.3.1 Z變換的定義

7.3.2 Z變換的計算

7.3.3 Z變換的基本定理

7.3.4 Z反變換的計算

7.4 離散系統的數學模型

7.4.1 線性常係數差分方程及其求解

7.4.2 脈衝傳遞函數

7.4.3 離散系統的結構圖化簡

7.5 離散控制系統的穩定性分析

7.5.1 從s平面到z平面的映射

7.5.2 線性定常離散系統穩定的充分必要條件

7.5.3 線性定常離散系統的穩定判據

7.5.4 採樣周期和保持器對離散系統穩定性的影響

7.6 離散控制系統的瞬態性能分析

7.6.1 線性定常離散系統的單位階躍響應

7.6.2 用輸出採樣信號分析離散系統的條件

7.6.3 離散系統閉環極點分佈與瞬態響應的關係

7.7 離散控制系統的穩態誤差分析

7.7.1 利用終值定理求穩態誤差

7.7.2 離散系統的型別與靜態誤差係數

7.8 根軌跡和頻率特性在離散系統分析中的應用

7.9 線性定常離散系統的數字校正

7.9.1 數字控制器的模擬化和離散化設計方法

7.9.2 最少拍無差系統的設計

7.9.3 數字控制器的實現

7.10 MATLAB在離散控制系統中的應用

小結

習題

第8章 非線性控制系統

8.1 引言

8.1.1 典型非線性特性及其對系統運動的影響

8.1.2 非線性系統的特徵

8.1.3 非線性系統的分析方法

8.2 相平面法基礎

8.2.1 相平面法的概念

8.2.2 相軌跡的繪製方法

8.2.3 由相平面圖求時間解

8.3 二階系統的相平面分析法

8.3.1 線性系統的相軌跡

8.3.2 奇點與平衡點

8.3.3 極限環

8.3.4 非線性系統的相軌跡

8.3.5 速度反饋對系統自由運動的影響

8.3.6 繼電系統的滑動現象

8.3.7 利用非線性改善系統的性能

8.4 描述函數

8.4.1 描述函數的一般概念

8.4.2 典型非線性特性的描述函數

8.5 用描述函數分析非線性系統

8.5.1 系統的典型結構及基本條件

8.5.2 非線性系統的穩定性分析

8.5.3 非線性系統的自持振蕩分析

8.5.4 非線性系統結構圖的簡化

8.6 MATLAB在非線性系統中的

應用

小結

習題

參考文獻