控制工程基础

目录
前言
第1章绪论1
1.1控制工程概述1
1.2控制工程的发展及应用1
1.2.1经典控制理论的发展1
1.2.2现代控制理论的发展3
1.3控制系统的基础知识4
1.3.1控制系统的基本概念4
1.3.2控制系统的工作原理4
1.3.3控制系统的组成及框图5
1.4控制系统的分类7
1.4.1按照反馈方式分类7
1.4.2按输入信号变化规律分类8
1.4.3按系统的数学描述分类8
1.4.4按系统内部的信号特征分类8
1.5控制系统的基本要求9
1.5.1稳定性9
1.5.2快速性9
1.5.3精确性10
习题10
第2章控制系统的数学模型11
2.1系统数学模型的建立11
2.1.1建立微分方程的一般步骤11
2.1.2控制系统微分方程的列写12
2.2拉普拉斯变换13
2.2.1拉普拉斯变换及拉普拉斯反变换的定义13
2.2.2典型时间函数的拉普拉斯变换14
2.2.3拉普拉斯变换基本定理16
2.2.4拉普拉斯反变换21
2.3系统的传递函数24
2.3.1传递函数的定义24
2.3.2典型环节的传递函数25
2.3.3传递函数的主要特点32
2.4系统的框图和信号流图32
2.4.1框图的组成32
2.4.2绘制系统框图的一般步骤34
2.4.3框图的基本连接方式36
2.4.4框图的简化38
2.4.5信号流图及梅森公式40
2.5闭环控制系统的传递函数45
2.5.1闭环系统的开环传递函数45
2.5.2给定输入作用下的闭环传递函数45
2.5.3扰动作用下的闭环传递函数46
2.5.4传递函数的零极点47
2.6控制系统数学模型的MATLAB实现47
2.6.1MATLAB控制系统工具箱简介47
2.6.2数学模型的MATLAB实现48
2.7设计实例：工程中典型的机电系统52
习题57
第3章控制系统时域分析61
3.1时间响应与典型输入信号61
3.1.1时间响应61
3.1.2典型输入信号61
3.2一阶系统的时域分析63
3.2.1一阶系统数学模型63
3.2.2一阶系统的单位阶跃响应64
3.2.3一阶系统的单位脉冲响应64
3.2.4一阶系统的单位斜坡响应65
3.3二阶系统的时域分析65
3.3.1二阶系统的数学模型65
3.3.2二阶系统的单位阶跃响应66
3.3.3二阶系统的单位脉冲响应69
3.4时域分析性能指标70
3.4.1动态性能指标70
3.4.2时域分析实例73
3.5高阶系统的时域分析75
3.5.1高阶系统的阶跃响应75
3.5.2闭环主导极点76
3.6稳态误差分析与计算77
3.6.1误差和稳态误差的概念77
3.6.2输入信号作用下的稳态误差78
3.6.3扰动信号作用下的稳态误差80
3.6.4改善系统稳态精度的方法81
3.7时域分析的MATLAB实现82
3.7.1输出响应分析83
3.7.2时域动态性能指标求解84
3.7.3稳态误差分析85
3.8设计实例：数控机床控制系统设计86
习题87
第4章根轨迹法91
4.1根轨迹与根轨迹方程91
4.1.1根轨迹概念91
4.1.2根轨迹方程92
4.2绘制根轨迹的基本法则93
4.3广义根轨迹97
4.3.1参数根轨迹97
4.3.2零度根轨迹98
4.4利用根轨迹分析系统性能101
4.4.1根轨迹和性能指标的关系101
4.4.2开环零极点对系统性能的影响103
4.5根轨迹分析的MATLAB实现105
4.5.1根轨迹的绘制105
4.5.2根轨迹上取点106
4.6设计实例：激光操纵控制系统设计107
习题109
第5章控制系统的频域分析111
5.1系统频率特性概述111
5.1.1频率特性的基本概念111
5.1.2频率特性与传递函数的关系113
5.1.3频率特性的求取方法113
5.2频率特性的奈奎斯特图114
5.2.1奈奎斯特图的基本概念114
5.2.2典型环节的奈奎斯特图115
5.2.3奈奎斯特图的一般画法120
5.3频率特性的伯德图122
5.3.1伯德图的基本概念123
5.3.2典型环节的伯德图124
5.3.3伯德图的一般画法130
5.3.4小相位系统132
5.4频域分析的MATLAB实现134
5.4.1奈奎斯特图的绘制134
5.4.2伯德图的绘制135
习题137
第6章控制系统的稳定性分析139
6.1代数稳定性判据139
6.1.1稳定性的基本概念139
6.1.2系统稳定的充要条件139
6.1.3劳斯稳定性判据141
6.2频域稳定性判据145
6.2.1奈奎斯特稳定性判据146
6.2.2对数频率特性稳定判据149
6.3控制系统的稳定裕度151
6.3.1相位裕度151
6.3.2幅值裕度151
6.4稳定性分析的MATLAB实现154
6.4.1求取特征根判定系统的稳定性155
6.4.2绘制零极点分布图判定系统的稳定性155
6.4.3频率法判定系统的稳定性156
6.5设计实例159
6.5.1直流电动机速度控制系统159
6.5.2雕刻机位置控制系统161
习题164
第7章控制系统的综合与校正165
7.1系统校正的基本概念165
7.1.1系统的性能指标165
7.1.2校正的概念167
7.1.3校正的分类167
7.2校正方法和校正装置的设计169
7.2.1串联超前校正169
7.2.2串联滞后校正172
7.2.3滞后超前校正175
7.2.4PID调节器178
7.3系统的综合与校正的MATLAB实现180
7.4设计实例：直流电动机调速性能指标改善182
习题184
第8章离散控制系统分析基础186
8.1采样与信号186
8.1.1采样过程与采样定理186
8.1.2信号恢复与保持器189
8.2Z变换与Z传递函数191
8.2.1Z变换191
8.2.2Z反变换198
8.2.3Z传递函数200
8.3线性离散系统的性能分析204
8.3.1稳定性分析204
8.3.2瞬态响应分析206
8.4线性离散系统性能分析的MATLAB实现208
8.4.1求取特征根判定系统的稳定性208
8.4.2连续系统离散化及离散系统的时域响应209
习题211
第9章现代控制理论基础213
9.1基本概念213
9.2状态空间表达式的建立与转换218
9.2.1由系统框图建立状态空间表达式218
9.2.2由系统微分方程建立状态空间表达式220
9.2.3状态矢量的线性变换224
9.2.4由状态空间表达式求系统传递函数（阵）225
9.2.5由状态空间表达式变换为对角线标准型和约旦标准型227
9.3状态方程的求解234
9.3.1齐次状态方程的解234
9.3.2状态转移矩阵235
9.3.3非齐次状态方程的解238
9.4控制系统的能控性和能观性238
9.4.1能控性与能控性判据239
9.4.2能观性与能观性判据245
9.4.3能控性与能观性的对偶关系250
9.4.4能控标准型与能观标准型251
9.5控制系统的状态反馈及状态观测器260
9.5.1状态反馈260
9.5.2状态观测器266
9.5.3带状态观测器的闭环控制系统268
9.6状态空间分析的MATLAB实现271
9.6.1状态空间表达式和传递函数相互转换的实现271
9.6.2状态转移矩阵的实现273
9.6.3能控性和能观性分析273
9.6.4极点配置的实现275
9.7设计实例：倒立摆276
9.7.1数学模型的建立276
9.7.2系统特性分析279
习题281
参考文献285