目錄
第1章 概論 1
1.1 控制理論的發(fā)展歷史 1
1.2 自動控制系統(tǒng)的基本控制方式 2
1.3 控制系統(tǒng)的分類 5
1.4 控制系統(tǒng)的組成與對控制系統(tǒng)的基本要求 7
1.4.1 控制系統(tǒng)的組成 7
1.4.2 對控制系統(tǒng)的基本要求 8
習(xí)題 9
第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 11
2.1 運動方程 11
2.1.1 控制系統(tǒng)的運動方程 11
2.1.2 線性系統(tǒng)的特性 16
2.2 傳遞函數(shù) 17
2.2.1 傳遞函數(shù)的定義及性質(zhì) 17
2.2.2 環(huán)節(jié)典型連接時等效傳遞函數(shù)的求取 20
2.2.3 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 22
2.3 方框圖及其簡化 25
2.3.1 方框圖的構(gòu)成 25
2.3.2 方框圖的繪制 26
2.3.3 方框圖的簡化 27
2.4 信號流圖 31
2.4.1 信號流圖及其運算規(guī)則 31
2.4.2 信號流圖的繪制 34
2.4.3 梅森公式 35
2.5 應(yīng)用MATLAB建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 39
2.5.1 模型的建立 39
2.5.2 模型的轉(zhuǎn)換 42
習(xí)題 42
第3章 線性系統(tǒng)的時域分析 46
3.1 系統(tǒng)時間響應(yīng)的性能指標(biāo) 46
3.1.1 典型輸入信號 46
3.1.2 時域響應(yīng)的性能指標(biāo) 48
3.2 一階系統(tǒng)的時域分析 50
3.2.1 一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 50
3.2.2 一階系統(tǒng)的理想單位脈沖響應(yīng) 51
3.2.3 一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng) 52
3.2.4 一階系統(tǒng)的單位勻加速度響應(yīng) 53
3.3 二階系統(tǒng)的時域分析 53
3.3.1 二階系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)形式 54
3.3.2 二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 55
3.3.3 二階系統(tǒng)欠阻尼響應(yīng)過程分析 59
3.3.4 二階系統(tǒng)的理想單位脈沖響應(yīng) 64
3.3.5 二階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng) 66
3.3.6 具有閉環(huán)負(fù)實零點時二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 67
3.3.7 初始條件不為零時二階系統(tǒng)的輸出響應(yīng) 70
3.4 高階系統(tǒng)的時域分析 71
3.4.1 閉環(huán)主導(dǎo)極點的概念及高階系統(tǒng)分析 72
3.4.2 三階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 74
3.5 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 75
3.5.1 穩(wěn)定性的基本概念 75
3.5.2 線性系統(tǒng)穩(wěn)定的條件 76
3.5.3 勞斯穩(wěn)定判據(jù) 78
3.6 反饋系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計算 82
3.6.1 反饋系統(tǒng)的誤差 82
3.6.2 反饋系統(tǒng)響應(yīng)參考輸入信號的穩(wěn)態(tài)誤差及其計算 83
3.6.3 反饋系統(tǒng)響應(yīng)擾動輸入信號的穩(wěn)態(tài)誤差及其計算 93
3.6.4 減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的措施 95
3.7 復(fù)合控制的誤差分析 96
3.7.1 補(bǔ)償擾動信號對系統(tǒng)輸出的影響 97
3.7.2 減小系統(tǒng)響應(yīng)參考輸入信號的誤差 98
3.8 基于MATLAB的控制系統(tǒng)時域分析 101
3.8.1 時域響應(yīng) 101
3.8.2 動態(tài)性能指標(biāo)計算與穩(wěn)定性分析 105
習(xí)題 106
第4章 線性系統(tǒng)的根軌跡分析 110
4.1 根軌跡的概念 110
4.1.1 根軌跡舉例 110
4.1.2 根軌跡方程 111
4.2 繪制根軌跡的基本規(guī)則 113
4.2.1 繪制180°根軌跡的基本規(guī)則 114
4.2.2 繪制0°根軌跡的基本規(guī)則 122
4.2.3 繪制根軌跡應(yīng)注意的問題 124
4.3 線性系統(tǒng)的根軌跡分析 125
4.3.1 最小相位系統(tǒng)的根軌跡分析 125
4.3.2 非最小相位系統(tǒng)的根軌跡分析 130
4.3.3 參量根軌跡分析 131
4.4 用MATLAB繪制根軌跡 135
習(xí)題 139
第5章 線性系統(tǒng)的頻域分析 143
5.1 頻率特性的概念 143
5.1.1 系統(tǒng)對正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)輸出 143
5.1.2 頻率響應(yīng)和頻率特性 145
5.1.3 頻率特性的幾何表示法 146
5.2 開環(huán)系統(tǒng)的幅相頻率特性曲線 147
5.2.1 典型環(huán)節(jié)的Nyquist圖 147
5.2.2 開環(huán)系統(tǒng)的Nyquist圖 153
5.3 開環(huán)系統(tǒng)的對數(shù)頻率特性曲線 157
5.3.1 對數(shù)頻率特性曲線的基本概念 157
5.3.2 典型環(huán)節(jié)的Bode圖 158
5.3.3 開環(huán)系統(tǒng)的Bode圖 164
5.3.4 最小相位系統(tǒng)和非最小相位系統(tǒng) 165
5.4 頻域穩(wěn)定性分析 170
5.4.1 Nyquist穩(wěn)定判據(jù) 170
5.4.2 相對穩(wěn)定性 177
5.5 頻域性能指標(biāo)與時域性能指標(biāo)的關(guān)系 180
5.5.1 閉環(huán)幅頻特性 180
5.5.2 頻域性能指標(biāo)和動態(tài)性能指標(biāo)的關(guān)系 182
5.5.3 開環(huán)漸近幅頻特性和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)的關(guān)系 186
5.6 MATLAB在頻域分析中的應(yīng)用 187
習(xí)題 190
第6章 線性系統(tǒng)的綜合與校正 195
6.1 系統(tǒng)校正的概念 195
6.1.1 控制系統(tǒng)的校正方式及設(shè)計方法 195
6.1.2 輸入信號與控制系統(tǒng)帶寬 197
6.2 分析法串聯(lián)超前校正 199
6.2.1 超前校正裝置的特性 199
6.2.2 分析法串聯(lián)超前校正參數(shù)的確定 201
6.2.3 超前校正的特點和適用范圍 204
6.3 分析法串聯(lián)滯后校正 205
6.3.1 滯后校正裝置的特性 205
6.3.2 分析法串聯(lián)滯后校正參數(shù)的確定 206
6.3.3 滯后校正的特點和適用范圍 208
6.4 分析法串聯(lián)滯后-超前校正 209
6.4.1 滯后-超前校正裝置的特性 209
6.4.2 分析法串聯(lián)滯后-超前校正參數(shù)的確定 210
6.4.3 滯后-超前校正的特點和適用范圍 212
6.5 綜合法串聯(lián)校正 213
6.5.1 期望特性 213
6.5.2 綜合法串聯(lián)校正參數(shù)的確定 216
6.5.3 綜合法串聯(lián)校正的特點 219
6.6 綜合法反饋校正 219
6.6.1 反饋校正的功能 219
6.6.2 綜合法反饋校正參數(shù)的確定 222
6.6.3 反饋校正與串聯(lián)校正的比較 226
6.7 PID控制器 227
6.7.1 PID控制器的結(jié)構(gòu)及其作用 227
6.7.2 PID控制器設(shè)計舉例 230
6.8 基于MATLAB的控制器設(shè)計 234
習(xí)題 237
第7章 非線性系統(tǒng)分析 242
7.1 非線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述 242
7.1.1 非線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程描述 242
7.1.2 典型非線性特性 243
7.1.3 非線性系統(tǒng)的特點和分析方法 246
7.2 描述函數(shù)法 247
7.2.1 諧波線性化的概念 247
7.2.2 典型非線性特性的描述函數(shù) 248
7.2.3 非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)分析 251
7.3 相平面法 256
7.3.1 線性系統(tǒng)的相軌跡 257
7.3.2 相軌跡的繪制 259
7.3.3 非線性系統(tǒng)的相平面分析 261
7.4 利用非線性特性改善控制系統(tǒng)的性能 269
7.5 MATLAB在非線性系統(tǒng)中的應(yīng)用 270
習(xí)題 274
第8章 線性離散系統(tǒng)的分析與綜合 277
8.1 采樣過程與信號保持 277
8.1.1 采樣過程 278
8.1.2 采樣周期的選取 279
8.1.3 信號保持 282
8.2 z 變換 284
8.3 脈沖傳遞函數(shù) 285
8.3.1 線性常系數(shù)差分方程 286
8.3.2 脈沖傳遞函數(shù)的概念 287
8.3.3 開環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù) 289
8.3.4 閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù) 292
8.4 穩(wěn)定性分析 295
8.4.1 s 平面與z平面的映射關(guān)系 295
8.4.2 線性離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件 296
8.4.3 推廣的勞斯穩(wěn)定判據(jù) 297
8.4.4 朱利穩(wěn)定判據(jù) 298
8.5 時域分析 301
8.5.1 閉環(huán)極點的位置及其對應(yīng)的瞬態(tài)響應(yīng) 301
8.5.2 時域響應(yīng) 303
8.5.3 穩(wěn)態(tài)誤差計算 304
8.6 系統(tǒng)綜合 308
8.6.1 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計方法 308
8.6.2 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計方法 317
8.7 MATLAB 在線性離散系統(tǒng)中的應(yīng)用 319
習(xí)題 322
附錄 拉氏變換表與z變換表 327
參考文獻(xiàn) 329