自动控制理论

目 录

前言

第1章 绪论1
1.1 引言1
1.2 自动控制理论的建立和发展1
1.3 自动控制系统的基本概念3
1.3.1 自动控制问题3
1.3.2 控制系统的基本术语4
1.3.3 自动控制系统的构成和要素5
1.3.4 开环控制与反馈控制的特点6
1.3.5 对控制系统的要求6
1.3.6 控制系统的分类7
1.4 自动控制理论的基本概念及
主要内容7
1.5 小结8
1.6 习题8
第2章 动态系统模型9
2.1 引言9
2.2 系统的时域模型9
2.2.1 常微分方程模型9
2.2.2 非线性系统的局部线性化
模型11
2.2.3 "黑箱"模型15
2.3 复频域模型与传递函数17
2.3.1 Laplace变换17
2.3.2 传递函数20
2.3.3 典型环节21
2.3.4 传递函数的两个标准式21
2.4 结构图及系统互联23
2.4.1 结构图23
2.4.2 系统互联结构24
2.5 信号流图及Mason增益
公式27
2.5.1 信号流图27
2.5.2 Mason增益公式28
2.6 闭环系统的特性29
2.7 小结32
2.8 习题32
第3章 连续时间线性系统的时
域分析36
3.1 典型输入信号及其Laplace
变换36
3.1.1 阶跃函数36
3.1.2 斜坡函数36
3.1.3 抛物线函数37
3.1.4 脉冲函数37
3.1.5 正弦函数37
3.2 线性时不变系统的时域响应38
3.2.1 用线性微分方程理论分析38
3.2.2 用Laplace变换分析39
3.3 线性系统的稳定性40
3.3.1 稳定性的概念41
3.3.2 线性时不变系统稳定的条件42
3.3.3 Routh-Hurwitz判据44
3.4 控制系统的性能指标47
3.4.1 暂态性能47
3.4.2 稳态性能48
3.5 典型一阶系统49
3.5.1 单位阶跃响应49
3.5.2 单位斜坡响应50
3.5.3 单位加速度响应50
3.6 典型二阶系统50
3.6.1 二阶系统的数学模型51
3.6.2 系统的特征根与参量ζ、ωn
的关系52
3.6.3 单位阶跃响应53
3.6.4 单位斜坡响应56
3.6.5 改善二阶系统的性能57
3.7 高阶系统的响应59
3.7.1 高阶系统单位阶跃响应59
3.7.2 闭环主导极点60
3.8 线性系统的稳态性能60
3.8.1 基本概念60
3.8.2 系统类型与稳态误差的关系62
3.8.3 典型输入的系统稳态误差63
3.8.4 扰动稳态误差63
3.9 根轨迹法65
3.9.1 基本概念65
3.9.2 根轨迹的幅值条件及相角
条件66
3.9.3 根轨迹的作图规则67
3.9.4 参数根轨迹71
3.10 小结72
3.11 习题72
第4章 线性控制系统的频域
分析76
4.1 频率特性76
4.1.1 频率响应76
4.1.2 Fourier变换和广义频率
特性78
4.2 频率特性曲线79
4.2.1 典型环节的频率特性曲线79
4.2.2 开环系统的频率特性曲线84
4.3 系统稳定性的环路分析85
4.3.1 环路分析85
4.3.2 相对稳定性与稳定裕度87
4.4 Nyquist稳定性判据及其应用89
4.4.1 幅角原理89
4.4.2 Nyquist稳定性判据91
4.4.3 Nyquist稳定性判据的应用94
4.4.4 模型扰动的稳定鲁棒性96
4.5 Bode图及其应用97
4.5.1 Bode图的概念97
4.5.2 典型环节的Bode图99
4.5.3 复杂系统开环Bode图的渐近线
描图法103
4.5.4 对数稳定判据105
4.5.5 Bode幅相关系式与*小相位
系统106
4.5.6 稳定裕度的计算108
4.6 利用开环频率特性分析系统
的性能112
4.6.1 低频渐近线与系统稳态误差的
关系112
4.6.2 交越区的频率特性与系统动态
性能的关系112
4.6.3 高频段频率特性对系统性能的
影响115
4.7 闭环频域分析116
4.7.1 闭环频率特性116
4.7.2 用MATLAB程序求闭环频率
特性117
4.7.3 闭环频率特性的几个特征量118
4.7.4 闭环频域指标119
4.8 小结122
4.9 习题123
第5章 线性控制系统的综合与
校正126
5.1 引言126
5.1.1 校正方式126
5.1.2 校正目标127
5.1.3 校正的基本思路127
5.1.4 性能指标127
5.2 环路整形128
5.3 串联校正131
5.3.1 串联超前校正132
5.3.2 串联滞后校正136
5.3.3 串联滞后-超前校正142
5.4 复合校正152
5.5 局部反馈校正157
5.6 控制系统的动态性能约束159
5.6.1 过程输入信号幅值与模型摄动
边界159
5.6.2 非*小相位系统的性能约束162
5.6.3 非*小相位系统的稳定补偿
器的存在条件165
5.7 极点配置设计166
5.8 小结173
5.9 习题173
第6章 非线性控制系统分析175
6.1 非线性控制系统概述175
6.1.1 控制系统中的典型非线性
特性175
6.1.2 非线性控制系统的特殊性177
6.1.3 非线性控制系统的分析方法178
6.2 相平面法178
6.2.1 相平面的基本概念178
6.2.2 绘制相平面图的等倾线法181
6.2.3 二阶线性系统的奇点和相
轨迹182
6.2.4 非线性系统的相平面分析184
6.2.5 相平面法分析小结187
6.3 描述函数法188
6.3.1 描述函数的基本内容188
6.3.2 典型非线性特性的描述函数190
6.3.3 非线性特性的合并193
6.3.4 用描述函数法分析非线性
系统194
6.4 改善非线性系统性能的措施
及运用非线性特性198
6.4.1 改善非线性系统性能的措施198
6.4.2 运用非线性特性199
6.5 小结200
6.6 习题200
第7章 离散控制系统的基本理论203
7.1 引言203
7.2 信号的采样与保持204
7.2.1 采样过程204
7.2.2 理想采样信号的数学描述205
7.2.3 采样定理及采样周期的选取207
7.2.4 信号的保持210
7.3 z变换理论212
7.3.1 z变换定义212
7.3.2 z变换的基本定理213
7.3.3 z变换的求法217
7.3.4 z反变换及其求法219
7.4 离散控制系统的数学描述222
7.4.1 差分方程与离散传递函数222
7.4.2 脉冲传递函数225
7.5 离散控制系统的分析228
7.5.1 s域到z域的映射228
7.5.2 离散控制系统的响应228
7.5.3 离散控制系统的稳定性判据229
7.5.4 离散控制系统的暂态响应231
7.5.5 离散控制系统的稳态误差232
7.6 线性离散控制系统的校正234
7.6.1 *少拍控制234
7.6.2 有限拍控制236
7.6.3 离散PID控制236
7.7 小结237
7.8 习题238
参考文献240