目錄
前言
第一章概論 1
1.1 控制理論發(fā)展綜述 1
1.2 自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 2
1.2.1 開環(huán)控制系統(tǒng) 2
1.2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng) 3
1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語5
1.4 自動控制系統(tǒng)分類 6
1.4.1 線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng) 7
1.4.2 恒值控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng) 7
1.4.3 連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng) 7
1.5 對控制系統(tǒng)的性能要求和本課程的任務(wù) 7
1.5.1 對控制系統(tǒng)性能的要求 7
1.5.2 本課程的基本內(nèi)容和要求 8
習(xí)題 8
第二章控制系統(tǒng)的戴學(xué)模型 11
2.1 拉普拉斯變換 11
2.1.1 拉普拉斯變換的定義和存在定理 11
2.1.2 幾種典型函數(shù)的拉民變換 12
2.1.3 拉普拉斯變換的性質(zhì) 15
2.1.4 有理分式函數(shù)的拉普拉斯反變換 16
2.1.5 用拉普拉斯變換求解微分方程 19
2.2 系統(tǒng)輸人-輸出的傳遞函數(shù)描述 20
2.3 典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)模型 23
2.3.1 比例環(huán)節(jié) 23
2.3.2 一階環(huán)節(jié) 23
2.3.3 積分和微分環(huán)節(jié) 24
2.3.4 二階環(huán)節(jié) 24
2.3.5 時滯環(huán)節(jié) 24
2.4 用方塊圖表示的模型 25
2.5 信號流程圖與梅森公式 29
2.6 狀態(tài)空間模型簡介 34
2.6.1 狀態(tài)、狀態(tài)變量及狀態(tài)空間方程 35
2.6.2 線性定常控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程描述 36
2.6.3 線性定常系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式的結(jié)構(gòu)圖和信號流程圖 37
2.6.4 傳遞函數(shù)與狀態(tài)空間方程之間關(guān)系 37
2.7 數(shù)學(xué)模型的MATLAB 描述 38
2.7.1 連續(xù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的MATLAB 表示 38
2.7.2 離散系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的MAτ工.AB表示 41
2.7.3 控制系統(tǒng)的建模 42
2.7.4 Simulink 建模方法復(fù)雜系統(tǒng)的模型處理方法 43
小結(jié) 45
習(xí)題 46
第三章控制系統(tǒng)的時域分析法 48
3.1 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性 48
3.1.1 穩(wěn)定性的基本概念 48
3.1.2 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性 48
3.1.3 線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件 49
3.1.4 勞斯赫爾維喪穩(wěn)定判據(jù) 49
3.2 線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的MATLAB 判定方法" 56
3.3 控制系統(tǒng)的靜態(tài)誤差四
3.3.1 典型輸入信號 58
3.3.2 靜態(tài)誤差和誤差傳遞函數(shù) 59
3.3.3 靜態(tài)誤差系數(shù) 59
3.3.4 動態(tài)誤差 61
3.4 控制系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo) 63
3.5 一階系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng) 64
3.5.1 一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 64
3.5.2 一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng) 65
3.5.3 線性寇常系統(tǒng)的重要特性 65
3.6 二階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng) 65
3.6.1 二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 66
3.6.2 二階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)指標(biāo) 70
3.6.3 二階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng) 72
3.7 高階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng) 74
3.8 用MATLAB 進行暫態(tài)響應(yīng)分析 75
3.8.1 線性系統(tǒng)的MAl工AB 表示 75
3.8.2 傳遞函數(shù)系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的求法 76
3.8.3 脈沖響應(yīng) 76
3.8.4 求脈沖響應(yīng)的另一種方法 77
3.8.5 斜坡響應(yīng) 77
3.8.6 系統(tǒng)時域響應(yīng)的直接求取 78
小結(jié) 79
習(xí)題80
第四章根軌跡法 83
4.1 根軌跡圖 83
4.2 繪制根軌跡的數(shù)學(xué)依據(jù)及其性質(zhì)84
4.2.1 開環(huán)傳遞函數(shù)的兩種表達式 84
4.2.2 閉環(huán)特征方程的幾種表達形式 85
4.2.3 繪制根軌跡的數(shù)學(xué)依據(jù) .85
4.3 繪制根軌跡的一般規(guī)則 87
4.3.1 繪制根軌跡規(guī)則的闡述 87
4.3.2 繪制根軌跡規(guī)則的列表 90
4.4 例題 91
4.5 參數(shù)根軌跡和多回路系統(tǒng)的根軌跡 97
4.5.1 參數(shù)根軌跡 97
4.5.2 多回路系統(tǒng)的根軌跡 98
4.6 正反饋回路和非最小相位系統(tǒng)根軌跡 99
4.6.1 正反饋回路根軌跡 99
4.6.2 非最小相位系統(tǒng)之根軌跡 100
小結(jié) 101
習(xí)題 101
第五章頻率響應(yīng)法 104
5.1 頻率特性 104
5.l.1 由傳遞函數(shù)求系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 104
5.l.2 由實驗方法求頻率特性 106
5.l.3 頻率特性的基本概念 106
5.2 極坐標(biāo)圖 108
5.2.1 典型環(huán)節(jié)的奈奎斯特曲線 109
5.2.2 開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖 112
5.3 對數(shù)坐標(biāo)圖 116
5.3.1 典型環(huán)節(jié)的伯德圖 117
5.3.2 開環(huán)系統(tǒng)的伯德圖 123
5.3.3 最小相位系統(tǒng)與非最小相位系統(tǒng) 124
5.3.4 系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻特性與閉環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)系 126
5.4 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù) 128
5.4.1 輻角原理 129
5.4.2 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù) 130
5.4.3 奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)的進一步說明 132
5.5 相對穩(wěn)定性分析 136
5.5.1 用奈奎斯特圖表示相位裕量和帽值裕量 136
5.5.2 用伯德圖表示相位裕量和幅值裕量 137
5.5.3 對數(shù)幅頻特性中頻段與系統(tǒng)動態(tài)性能的關(guān)系 140
5.6 頻域性能指標(biāo)與時域性能指標(biāo)間的關(guān)系 142
5.6.1 開環(huán)頻率特性中相位裕量與時域性能指標(biāo)的關(guān)系 142
5.6.2 閉環(huán)頻率特性及其特征量 144
5.6.3 閉環(huán)頻域特性與時域響應(yīng)性能指標(biāo)的關(guān)系 146
小結(jié) 148
習(xí)題 148
第六章自動控制系統(tǒng)的設(shè)計 153
6.1 控制系統(tǒng)設(shè)計的基本思路 153
6.2 串聯(lián)校正裝置的結(jié)構(gòu)與特性 154
6.2.1 超前校正 154
6.2.2 滯后校正 157
6.2.3 滯后超前校正 159
6.3 基于頻率法的串聯(lián)校正設(shè)計 161
6.3.1 超前校正 161
6.3.2 滯后校正 163
6.3.3 滯后-超前校正 165
6.3.4 基于頻率法的MATLAB 串聯(lián)校正設(shè)計 167
6.4 基于根軌跡的串聯(lián)校正設(shè)計 169
6.4.1 超前校 169
6.4.2 滯后校正 177
6.4.3 滯后超前校正 179
6.4.4 基于根軌跡的串聯(lián)校正MATLAB 設(shè)計 181
6.5 PID 校正 183
6.5.1 PID 控制器工作原理 184
6.5.2 Zi喀ler-Nichols 整定公式 188
6.6 控制器的極點配置方法 194
小結(jié) 196
習(xí)題 197
第七章離散系統(tǒng)分析 200
7.1 離散系統(tǒng)引論 200
7.2 連續(xù)信號的采樣與復(fù)現(xiàn) 201
7.2.1 采樣過程及其數(shù)學(xué)描述 201
7.2.2 保持椿 202
7.2.3 采樣定理 203
7.3 z 變換 203
7.3.1 z 變換的定義 203
7.3.2 z 變換性質(zhì) 204
7.3.3 z 變換方法 205
7.4 z 反變換 207
7.5 脈沖傳遞函數(shù) 208
7.5.1 脈沖傳遞函數(shù)的基本概念 208
7.5.2 串聯(lián)環(huán)節(jié)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù) 210
7.5.3 閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù) 212
7.6 求離散系統(tǒng)的時域響應(yīng) 214
7.7 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 216
7.7.1 離散系統(tǒng)穩(wěn)定條件 216
7.7.2 離散系統(tǒng)的勞斯穩(wěn)定判據(jù) 217
7.8 離散系統(tǒng)的頻率特性分析 218
7.9 采樣系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析 221
7.10 采樣控制系統(tǒng)的綜合 222
7.10.1 采用連續(xù)系統(tǒng)的相似校正方法 222
7.10.2 串聯(lián)數(shù)字校正裝置的校正方法 222
7.10.3 最少拍采樣控制系統(tǒng)的校 224
小結(jié) 225
習(xí)題 226
第八章非線性系統(tǒng)分析 228
8.1 非線性系統(tǒng)概述 228
8.1.1 非線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 228
8.1.2 非線性系統(tǒng)與線性系統(tǒng)的比較 228
8.1.3 非線性系統(tǒng)研究方怯 229
8.1.4 典型非線性環(huán)節(jié)的輸入、輸出特性 229
8.2 小范圍線性近似法 232
8.3 相平面的概念及相軌跡作圖方法 234
8.3.1 相平面基本概念 234
8.3.2 相軌跡作圖方法 238
8.4 非線性控制系統(tǒng)相平面分析 247
8.5 非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù) 253
8.5.1 描述函數(shù)的基本概念 253
8.5.2 典型非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù) 254
8.6 非線性控制系統(tǒng)的描述函數(shù)分析 258
8.6.1 非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù) 258
8.6.2 自持振薔幅值與頻率的確定 259
8.6.3 含典型非線性環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)分析.259
小結(jié) 261
習(xí)題 262
第九章MATLAB 語言簡介 266
9.1 系統(tǒng)仿真 266
9.2 MATLAB 集成環(huán)境的組成 266
9.3 MATLAB 的應(yīng)用基礎(chǔ) 267
9.3.1 基本操作及命令 267
9.3.2 MAl工AB 函數(shù) 269
9.3.3 繪制響應(yīng)曲線 269
9.3.4 MA1LAB語言的聯(lián)機幫助功能 271
9.4 經(jīng)典控制系統(tǒng)分析及設(shè)計 272
9.4.1 控制系統(tǒng)模型 272
9.4.2 時域分析 274
9.4.3 根軌跡法 275
9.4.4 頻城分析 275
9.4.5 離散系統(tǒng)中常用的MA1LAB 函數(shù) 276
9.5 控制系統(tǒng)分析中常用的MATLAB 命令和函數(shù) 277
9.6 MATLAB 其他相關(guān)工具 279
參考文獻 282