自動控制系統(tǒng)（第3版）

目 錄

第1章 緒論 001
1.1 引言 002
1.2 自動控制的定義和歷史回顧 002
1.3 自動控制系統(tǒng)舉例及術語定義 004
1.3.1 液位控制系統(tǒng) 004
1.3.2 溫度控制系統(tǒng) 005
1.3.3 自動控制系統(tǒng)術語定義 005
1.4 自動控制系統(tǒng)的基本控制方式 006
1.4.1 開環(huán)控制 006
1.4.2 閉環(huán)控制 007
1.4.3 復合控制 007
1.5 自動控制系統(tǒng)的分類 008
1.6 自動控制系統(tǒng)的基本要求 010
1.7 自動控制系統(tǒng)課程的性質(zhì)和內(nèi)容 010
小結 011
關鍵術語和概念 011
拓展您的事業(yè)——電子學 012
習題1 012
第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 015
2.1 引言 016
2.2 控制系統(tǒng)的時域數(shù)學模型 016
2.2.1 微分方程與狀態(tài)變量數(shù)學模型 016
2.2.2 線性定常微分方程的解 023
2.2.3 非線性系統(tǒng)的線性化 023
2.2.4 運動的模態(tài) 026
2.3 控制系統(tǒng)的復數(shù)域數(shù)學模型 027
2.3.1 傳遞函數(shù)的定義和性質(zhì) 027
2.3.2 傳遞函數(shù)的零點和極點 028
2.3.3 傳遞函數(shù)用于分析控制系統(tǒng)的性能 028
2.3.4 傳遞函數(shù)數(shù)學模型建立舉例 030
2.4 控制系統(tǒng)的方框圖與信號流圖 032
2.4.1 控制系統(tǒng)的方框圖 032
2.4.2 方框圖的等效變換和簡化 035
2.4.3 信號流圖 037
2.4.4 多輸入系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 039
2.5 輸入/輸出數(shù)學模型與狀態(tài)變量數(shù)學模型之間的關系 040
2.5.1 由輸入/輸出數(shù)學模型轉換為狀態(tài)變量數(shù)學模型 040
2.5.2 由狀態(tài)變量數(shù)學模型轉換為輸入/輸出數(shù)學模型 045
2.5.3 線性定常系統(tǒng)在坐標變換下的特性 045
2.6 數(shù)學模型的實驗測定法 048
2.6.1 數(shù)學模型實驗測定的主要方法 048
2.6.2 數(shù)學模型的工程辨識 049
2.7 MATLAB軟件用于控制系統(tǒng)數(shù)學模型建立與仿真 049
小結 053
關鍵術語和概念 054
拓展您的事業(yè)——電氣工程學科 054
習題 2 055
第3章 控制系統(tǒng)時域分析 058
3.1 引言 059
3.1.1 典型輸入信號 059
3.1.2 時域性能指標 060
3.2 幾種控制系統(tǒng)的時域分析 061
3.2.1 一階系統(tǒng)的時域分析 061
3.2.2 典型二階系統(tǒng)的時域分析 063
3.2.3 高階系統(tǒng)的時域分析 072
3.2.4 MATLAB軟件分析控制系統(tǒng)時域響應 074
3.3 線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 078
3.3.1 穩(wěn)定性的定義及線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件 078
3.3.2 勞斯-赫爾維茨判據(jù) 081
3.3.3 勞斯-赫爾維茨判據(jù)的應用 084
3.4 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析 085
3.4.1 誤差定義及穩(wěn)態(tài)誤差 085
3.4.2 穩(wěn)態(tài)誤差的計算 086
3.4.3 擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 090
3.4.4 減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的措施 093
小結 095
關鍵術語和概念 096
拓展您的事業(yè)——自動化學科 097
習題3 097
第4章 根軌跡技術 103
4.1 引言 104
4.1.1 根軌跡的基本概念 104
4.1.2 根軌跡方程 105
4.2 根軌跡繪制的基本法則 106
4.3 廣義根軌跡 119
4.3.1 參數(shù)根軌跡 120
4.3.2 正反饋系統(tǒng)或非最小相位系統(tǒng)的根軌跡 124
4.4 時滯系統(tǒng)的根軌跡 126
4.5 根軌跡法在控制系統(tǒng)中的應用 130
小結 133
關鍵術語和概念 134
拓展您的事業(yè)——計算機學科 134
習題4 135
第5章 線性定常系統(tǒng)的頻域分析法 139
5.1 引言 140
5.1.1 頻率特性的基本概念與定義 140
5.1.2 頻率特性的幾何表示法 142
5.2 典型環(huán)節(jié)頻率特性曲線的繪制 144
5.3 系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性 151
5.3.1 開環(huán)奈奎斯特圖的繪制 151
5.3.2 開環(huán)伯德圖的繪制 155
5.3.3 傳遞函數(shù)的頻域實驗確定 159
5.4 線性定常系統(tǒng)頻域穩(wěn)定判據(jù) 161
5.4.1 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的數(shù)學基礎 161
5.4.2 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù) 162
5.4.3 對數(shù)頻率穩(wěn)定判據(jù) 169
5.5 穩(wěn)定裕度 172
5.6 閉環(huán)系統(tǒng)的頻率響應 177
5.6.1 閉環(huán)系統(tǒng)的頻域性能指標 178
5.6.2 典型二階系統(tǒng)的頻域性能指標 179
5.6.3 確定閉環(huán)頻率特性的圖解法：尼科爾斯圖法 180
5.6.4 頻域性能指標和時域性能指標的轉換 185
5.7 MATLAB軟件在系統(tǒng)頻域分析中的應用 188
小結 190
關鍵術語和概念 191
拓展您的事業(yè)——通信系統(tǒng)學科 192
習題5 192
第6章 控制系統(tǒng)的校正設計 195
6.1 引言 196
6.1.1 控制系統(tǒng)的分析與設計 196
6.1.2 不同校正方法的性能指標 197
6.1.3 基本校正方式 198
6.2 控制器的基本控制規(guī)律 199
6.2.1 比例控制規(guī)律 199
6.2.2 積分控制規(guī)律 200
6.2.3 比例積分控制規(guī)律 202
6.2.4 比例微分控制規(guī)律 203
6.2.5 比例積分微分控制規(guī)律 204
6.2.6 局部速度反饋控制規(guī)律 205
6.3 常用的校正裝置及其特性 206
6.3.1 無源校正網(wǎng)絡 207
6.3.2 自動化儀表中的PID控制器 209
6.4 根軌跡法在控制系統(tǒng)校正設計中的應用 210
6.4.1 超前串級校正 210
6.4.2 滯后串級校正 215
6.4.3 串級PID校正 217
6.4.4 局部反饋校正 218
6.5 伯德圖頻域法在控制系統(tǒng)校正設計中的應用 226
6.5.1 超前串級校正 226
6.5.2 滯后串級校正 230
6.5.3 滯后超前校正 233
6.5.4 串級校正的預期開環(huán)頻率特性設計 235
6.6 工業(yè)過程控制中PID控制器參數(shù)的工程整定 240
6.6.1 飛升曲線法 241
6.6.2 臨界比例度法 242
6.7 復合校正控制系統(tǒng)設計 244
6.7.1 按擾動補償?shù)膹秃峡刂?244
6.7.2 按輸入補償?shù)膹秃峡刂?245
6.8 實用的PID控制器結構與健壯控制問題 247
6.8.1 理想的PID控制器 247
6.8.2 實用的PID控制器 248
6.8.3 二自由度比例積分微分控制問題 249
6.8.4 健壯控制系統(tǒng)的設計 251
6.9 MATLAB軟件在控制系統(tǒng)設計中的應用 261
6.9.1 用MATLAB軟件與頻域法設計控制系統(tǒng) 261
6.9.2 用MATLAB軟件與根軌跡法設計控制系統(tǒng) 263
小結 268
關鍵術語和概念 268
拓展您的事業(yè)——電子儀器學科 269
習題6 269
第7章 狀態(tài)變量系統(tǒng)分析與設計 273
7.1 引言 274
7.2 線性定常系統(tǒng)的時域響應 274
7.2.1 線性定常系統(tǒng)齊次狀態(tài)方程的解與狀態(tài)轉移矩陣 274
7.2.2 狀態(tài)轉移矩陣的性質(zhì)和意義 276
7.2.3 線性定常系統(tǒng)非齊次狀態(tài)方程的解 277
7.3 連續(xù)系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析 281
7.3.1 李雅普諾夫穩(wěn)定性概念 281
7.3.2 李雅普諾夫穩(wěn)定性理論 283
7.3.3 線性定常系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析 289
7.3.4 非線性系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析——克拉索夫斯基法 290
7.3.5 李雅普諾夫第二法的其他應用 293
7.4 控制系統(tǒng)的可控性和可觀測性 296
7.4.1 可控性和可觀測性的定義 297
7.4.2 線性定常系統(tǒng)的可控性判據(jù) 298
7.4.3 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的可觀測性判據(jù) 303
7.4.4 線性系統(tǒng)可控性與可觀測性的對偶關系 305
7.4.5 控制系統(tǒng)的結構分解 305
7.5 線性定常系統(tǒng)的極點配置設計 312
7.5.1 狀態(tài)反饋和輸出反饋的概念 312
7.5.2 狀態(tài)變量閉環(huán)控制系統(tǒng)的極點配置設計 314
7.5.3 基于狀態(tài)觀測器的控制系統(tǒng)設計 329
小結 335
關鍵術語和概念 335
拓展您的事業(yè)——科學研究與信息工程教育事業(yè) 336
習題 7 337
第8章 數(shù)字控制系統(tǒng) 340
8.1 引言 341
8.1.1 采樣控制過程 341
8.1.2 數(shù)字控制系統(tǒng)的組成 343
8.2 信號的采樣與保持 343
8.2.1 采樣過程 343
8.2.2 采樣過程的數(shù)學描述 344
8.2.3 香農(nóng)采樣定理 346
8.2.4 采樣周期的選取 346
8.2.5 信號保持 347
8.3 Z變換理論 349
8.3.1 Z變換的定義 349
8.3.2 Z變換的方法 349
8.3.3 Z變換的基本定理 352
8.3.4 Z反變換 354
8.4 離散系統(tǒng)的數(shù)學模型 356
8.4.1 線性定常離散系統(tǒng)差分方程及其解法 356
8.4.2 脈沖傳遞函數(shù) 358
8.4.3 開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù) 359
8.4.4 閉環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù) 361
8.5 線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性 363
8.5.1 線性定常離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件 363
8.5.2 線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù) 365
8.6 離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 366
8.7 離散系統(tǒng)的動態(tài)性能分析 367
8.8 數(shù)字控制器的設計 370
8.8.1 模擬化設計方法 370
8.8.2 數(shù)字化設計方法 371
8.9 MATLAB在數(shù)字控制系統(tǒng)中的應用 374
8.9.1 用MATLAB軟件實現(xiàn)Z變換和Z反變換 374
8.9.2 連續(xù)系統(tǒng)模型與離散系統(tǒng)模型的轉換 377
8.9.3 基于MATLAB軟件的線性定常數(shù)字控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 378
8.9.4 基于MATLAB軟件的數(shù)字控制系統(tǒng)的時域分析 380
小結 385
關鍵術語和概念 386
拓展您的事業(yè)——軟件工程學科 386
習題8 387
第9章 自動控制系統(tǒng)設計實例 390
9.1 引言 391
9.2 溫度控制器的設計與實現(xiàn) 391
9.2.1 溫度控制系統(tǒng)分析 391
9.2.2 溫度控制系統(tǒng)硬件設計 395
9.2.3 溫度控制系統(tǒng)性能測試 398
9.3 倒立擺控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 401
9.3.1 倒立擺控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立 402
9.3.2 倒立擺控制系統(tǒng)硬件設計 405
9.3.3 倒立擺控制系統(tǒng)算法仿真 409
9.3.4 倒立擺控制系統(tǒng)實現(xiàn) 418
小結 420
關鍵術語和概念 420
拓展您的事業(yè)——航空航天技術 421
附錄A 拉普拉斯變換 422
附錄B 李雅普諾夫主穩(wěn)定性定理的證明 431
附錄C 常用Z變換表 434
參考文獻 435