自动控制原理

第1章 自动控制概论 1.1 引言 1.1.1 自动控制的基本概念 1.1.2 自动控制理论的发展历程 1.1.3 自动控制系统的应用实例 1.2 自动控制系统的组成和原理方框图 1.2.1 自动控制系统的组成 1.2.2 自动控制系统的原理方框图 1.3 自动控制系统的分类 1.3.1 按系统的控制方式分类 1.3.2 按系统的输入一输出特性分类 1.3.3 按输入信号的变化规律分类 1.4 控制系统的基本性能要求 1.4.1 稳定性 1.4.2 动态性能 1.4.3 稳态性能 本章小结 思考与练习 第2章 自动控制系统的数学模型 2.1 引言 2.2 控制系统的时域数学模型 2.2.1 线性元部件、线性系统微分方程的建立 2.2.2 线性系统微分方程的一般形式 2.2.3 非线性系统微分方程的线性化 2.3 控制系统的复数域数学模型 2.3.1 传递函数 2.3.2 典型环节的传递函数 2.4 控制系统结构图 2.4.1 结构图的基本组成及连接形式 2.4.2 结构图等效变换 2.5 控制系统信号流图 2.5.1 信号流图 2.5.2 信号流图的绘制 2.5.3 梅森增益公式及应用 2.6 闭环系统的传递函数 2.6.1 闭环系统的开环传递函数 2.6.2 闭环系统的闭环传递函数 2.6.3 闭环系统的误差传递函数 2.7 MATLAB在控制系统数学模型中的应用 2.7.1 利用MATLAB表示线性系统的传递函数 2.7.2 利用MATLAB求解线性微分方程 2.7.3 利用MATLAB简化系统结构图及求解传递函数 本章小结 思考与练习 第3章 控制系统的时域分析 3.1 控制系统的时域性能指标 3.1.1 典型输入信号 3.1.2 控制系统的时域性能指标 3.2 一阶系统的时域分析 3.2.1 一阶系统的数学模型 3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应 3.2.3 一阶系统的单位脉冲响应 3.2.4 一阶系统的单位斜坡响应 3.2.5 一阶系统的单位加速度响应 3.3 二阶系统的时域分析 3.3.1 二阶系统的数学模型 3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应 3.3.3 欠阻尼二阶系统的动态过程分析 3.3.4 过阻尼二阶系统的动态性能指标 3.3.5 二阶系统的单位脉冲响应 3.3.6 二阶系统的单位斜坡响应 3.3.7 改善二阶系统运动性能的措施 3.4 高阶系统的时域分析 3.4.1 高阶系统的阶跃响应 3.4.2 闭环主导极点 3.5 控制系统的稳定性 3.5.1 稳定的基本概念 3.5.2 线性系统稳定的充分必要条件 3.5.3 线性系统稳定的代数判据 3.6 控制系统的稳态误差 3.6.1 误差的定义 3.6.2 参考输入作用下的稳态误差（essr） 3.6.3 扰动输人作用下的稳态误差（essn） 3.6.4 改善控制系统稳态性能的措施 3.7 MATLAB在控制系统的时域分析中的应用 3.7.1 一阶系统仿真模型的建立及时域响应分析 3.7.2 二阶系统仿真模型的建立及动态性能指标求取 3.7.3 利用MATLAB求取控制系统的稳态性能指标 3.7.4 利用MATLAB判断系统的稳定性 本章小结 思考与练习 第4章 控制系统的复数域分析 4.1 根轨迹的基本概念 4.1.1 根轨迹概念 4.1.2 根轨迹方程 4.2 绘制根轨迹的基本法则 4.2.1 绘制根轨迹的基本法则 4.2.2 闭环极点的确定 4.3 广义根轨迹 4.3.1 参数根轨迹 4.3.2 零度根轨迹 4.4 利用根轨迹分析系统性能 4.4.1 主导极点、偶极子及时间响应 4.4.2 附加开环零点对系统性能的影响 4.5 MATLAB在绘制根轨迹中的应用 4.5.1 绘制常规根轨迹和零度根轨迹 4.5.2 利用根轨迹分析系统性能 4.5.3 利用根轨迹求解系统的闭环极点 本章小结 思考与练习 第5章 控制系统的频域分析 5.1 频率特性的基本概念 5.1.1 频率特性的定义 5.1.2 频率特性的几何表示 5.2 典型环节的频率特性分析 5.2.1 比例环节 5.2.2 积分环节 5.2.3 微分环节 5.2.4 惯性环节 5.2.5 一阶微分环节 5.2.6 振荡环节 5.2.7 二阶微分环节 5.2.8 延时环节 5.3 控制系统开环频率特性曲线的绘制 5.3.1 开环幅相特性曲线的绘制 5.3.2 开环对数频率特性曲线的绘制 5.3.3 *小相位系统和非*小相位系统 5.4 频域稳定判据 5.4.1 奈奎斯特稳定判据 5.4.2 奈奎斯特稳定判据的应用 5.4.3 对数频率稳定判据 5.5 稳定裕度 5.5.1 幅值裕度和相位裕度 5.5.2 稳定裕度的计算及应用举例 5.6 控制系统的闭环频率特性 5.6.1 开环频率特性与闭环频率特性的关系 5.6.2 尼科尔斯图线 5.6.3 频域性能指标和时域性能指标的关系 5.7 MATLAB在控制系统频域分析中的应用 5.7.1 利用MATLAB绘制频率特性曲线图 5.7.2 利用MATLAB结合频率特性分析系统性能 本章小结 思考与练习 第6章 线性系统的校正方法 6.1 控制系统校正 6.1.1 校正的概念与校正方案 6.1.2 校正的设计步骤 6.1.3 校正方法 6.2 频率法串联校正 6.2.1 串联超前校正 6.2.2 串联滞后校正 6.2.3 串联滞后一超前校正 6.2.4 校正装置的实现 6.2.5 串联综合法校正 6.2.6 串联工程设计方法 6.3 频率法反馈校正 6.3.1 反馈校正的原理与功能 6.3.2 综合法反馈校正 6.4 控制系统的复合校正 6.4.1 按扰动补偿的复合校正 6.4.2 按输入补偿的复合校正 6.5 PID控制器特性分析及应用 6.5.1 比例控制 6.5.2 比例一微分控制 6.5.3 积分控制 6.5.4 比例-积分控制 6.5.5 比例-积分-微分控制 6.5.6 试凑法确定PID参数 6.6 MATLAB在线性系统校正中的应用 6.6.1 利用MATLAB设计超前校正环节 6.6.2 利用MATLAB设计滞后校正环节 6.6.3 利用MATLAB设计滞后一超前校正环节 本章小结 思考与练习 第7章 线性离散系统 7.1 离散系统的基本概念 7.2 采样过程及采样定理 7.2.1 采样过程及数学描述 7.2.2 采样定理 7.2.3 采样周期的选择 7.3 信号恢复与信号保持 7.4 采样系统的数学模型 7.4.1 Z变换理论 7.4.2 差分方程 7.4.3 线性离散系统的脉冲传递函数 7.5 线性离散系统的稳定性与稳态误差 7.5.1 离散系统的稳定条件 7.5.2 离散系统的稳定性判据 7.5.3 线性离散系统的稳态误差 7.6 动态响应与闭环零极点分布的关系 7.7 线性离散系统的校正 7.7.1 数字控制器的模拟化设计 7.7.2 数字PID算式 7.8 MATLAB在线性离散系统中的应用 7.8.1 利用Simulink求解离散系统单位阶跃响应 7.8.2 利用控制系统工具箱求解离散系统单位阶跃响应 7.8.3 利用SISO求解离散系统稳定性 本章小结 思考与练习 第8章 非线性控制系统 8.1 非线性系统概述 8.1.1 非线性典型特性 8.1.2 非线性现象的普遍性 8.1.3 非线性控制系统的特点 8.1.4 非线性控制系统的研究方法 8.2 描述函数法 8.2.1 描述函数法的概念 8.2.2 典型非线性特性的描述函数 8.2.3 非线性系统的稳定性 8.3 相平面法 8.3.1 相平面法的概念 8.3.2 相轨迹的性质 8.3.3 相平面图的绘制方法 8.3.4 由相平面图确定响应时间 8.3.5 二阶线性系统的相平面分析 8.3.6 非线性系统的相平面分析 8.4 MATLAB在非线性控制系统中的应用 8.4.1 利用MATLAB绘制非线性系统的相轨迹 8.4.2 基于Simulink的非线性系统建模及仿真实例 本章小结 思考与练习 第9章 线性系统的状态空间分析 9.1 状态空间表达式 9.1.1 基本概念 9.1.2 状态空间表达式的建立 9.1.3 状态向量的线性变换 9.1.4 传递函数矩阵 9.2 状态空间表达式的解 9.2.1 线性定常连续系统齐次状态方程的解 9.2.2 线性定常连续系统非齐次状态方程的解 9.2.3 线性定常离散系统状态方程的解 9.3 线性系统的能控性与能观性 9.3.1 能控性与能观性问题的提出 9.3.2 线性系统的能控性及判别准则 9.3.3 线性系统能观性定义及判据 9.3.4 对偶原理 9.3.5 能控标准型和能观标准型 9.4 李雅普诺夫稳定性分析 9.4.1 李雅普诺夫稳定性的定义 9.4.2 李雅普诺夫**法（间接法） 9.4.3 李雅普诺夫第二法（直接法） 9.5 状态反馈与系统镇定 9.5.1 状态反馈及其设计 9.5.2 输出到输入的反馈 9.5.3 输出到状态向量导数的反馈 9.5.4 系统镇定问题 9.6 状态观测器与闭环控制系统 9.6.1 全维状态观测器 9.6.2 降维状态观测器 9.7 MATLAB在状态空间分析中的应用 9.7.1 利用MATLAB建立状态空间模型 9.7.2 利用MATLAB判断系统的可控性、可观性和稳定性 9.7.3 利用MATLAB配置极点和设计观测器 本章小结 思考与练习 附录1 部分思考与练习参考答案 附录2 拉普拉斯变换 附录3 常用函数的拉氏变换和Z变换表 参考文献