包邮自动控制原理(电子信息科学与工程类专业系列教材)

第 1 章绪论 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????1
1．1 自动控制的基本概念??????????????????????????????????1
1．1．1 自动控制的定义??????????????????????????????????????????1
1．1．2 控制理论的发展过程????????????????????????????????1
1．1．3 自动控制系统的组成????????????????????????????????2
1．1．4 自动控制系统的基本控制
方式??????????????????????????????????????????????????????????????????????4
1．2 自动控制系统的分类??????????????????????????????????6
1．3 对自动控制系统的基本要求????????????????7
1．4 控制系统实例??????????????????????????????????????????????????????8
1．4．1 电冰箱制冷控制系统????????????????????????????????8
1．4．2 函数记录仪??????????????????????????????????????????????????????9
1．4．3 炉温控制系统??????????????????????????????????????????．10
本章小结??????????????????????????????????????????????????????????????????????????．11
习题??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．11
第2 章控制系统的数学模型????????????????????????．13
2．1 微分方程的建立??????????????????????????????????????????．13
2．2 传递函数????????????????????????????????????????????????????????????．14
2．2．1 传递函数的基本概念??????????????????????????．14
2．2．2 传递函数的性质????????????????????????????????????．15
2．2．3 典型环节及其传递函数????????????????????．16
2．3 结构图??????????????????????????????????????????????????????????????????．17
2．3．1 结构图的组成和绘制??????????????????????????．17
2．3．2 结构图的等效变换????????????????????????????????．18
2．4 信号流图????????????????????????????????????????????????????????????．23
2．4．1 信号流图的基本概念??????????????????????????．23
2．4．2 信号流图的绘制????????????????????????????????????．24
2．4．3 梅森增益公式及其应用????????????????????．25
本章小结??????????????????????????????????????????????????????????????????????????．26
习题??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．27
第3 章线性系统的时域分析????????????????????????．29
3．1 典型输入信号??????????????????????????????????????????????．29
3．2 自动控制系统的时域性能
指标????????????????????????????????????????????????????????????????????????．31
3．3 一阶系统的时域分析????????????????????????????．32
3．3．1 一阶系统的数学模型??????????????????????????．32
3．3．2 一阶系统的单位阶跃响应及
性能分析????????????????????????????????????????????????????．32
3．3．3 一阶系统的单位斜坡响应及
性能分析????????????????????????????????????????????????????．33
3．3．4 一阶系统的单位加速度响应及
性能分析????????????????????????????????????????????????????．33
3．3．5 一阶系统的单位脉冲响应及
性能分析????????????????????????????????????????????????????．34
3．4 二阶系统的时域分析????????????????????????????．34
3．4．1 二阶系统的数学模型??????????????????????????．34
3．4．2 二阶系统的单位阶跃响应??????????????．35
3．4．3 欠阻尼二阶系统的动态性能
分析??????????????????????????????????????????????????????????????．37
3．4．4 二阶系统的单位斜坡响应??????????????．42
3．4．5 二阶系统性能的改善??????????????????????????．44
3．5 高阶系统的时域分析????????????????????????????．46
3．6 稳定性分析??????????????????????????????????????????????????????．48
3．6．1 系统稳定的充分必要条件??????????????．49
3．6．2 劳斯判据????????????????????????????????????????????????????．50
3．6．3 相对稳定性??????????????????????????????????????????????．53
3．7 稳态误差????????????????????????????????????????????????????????????．54
3．7．1 误差的定义??????????????????????????????????????????????．54
3．7．2 输入引起的稳态误差??????????????????????????．55
3．7．3 静态误差系数??????????????????????????????????????????．56
3．7．4 扰动作用下的稳态误差????????????????????．59
3．7．5 改善系统稳态精度的方法????????????????．60
本章小结??????????????????????????????????????????????????????????????????????????．62
习题??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．63
第4 章根轨迹法 ????????????????????????????????????????????????????????．67
4．1 根轨迹的基本概念????????????????????????????????????．67
4．1．1 根轨迹??????????????????????????????????????????????????????????．67
4．1．2 根轨迹方程????????????????????????????????????????????????．68
4．2 根轨迹图的绘制法则????????????????????????????．70
4．3 参数根轨迹??????????????????????????????????????????????????????．80
4．4 利用根轨迹分析系统性能????????????????．82
4．4．1 已知根轨迹增益确定闭环极点
和传递函数????????????????????????????????????????????????．82
4．4．2 已知系统性能指标确定闭环
极点????????????????????????????????????????????????????????????????．83
4．4．3 增加开环零点对系统性能的
影响????????????????????????????????????????????????????????????????．84
4．4．4 增加开环极点对系统性能的
影响????????????????????????????????????????????????????????????????．87
本章小结??????????????????????????????????????????????????????????????????????????．88
习题??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．89
第5 章线性系统的频域分析????????????????????????．92
5．1 频率特性的基本概念????????????????????????????．92
5．1．1 频率特性的定义????????????????????????????????????．92
5．1．2 频率特性的表示方法??????????????????????????．93
5．2 典型环节及系统频率特性????????????????．94
5．2．1 典型环节的频率特性??????????????????????????．95
5．2．2 开环系统的频率特性??????????????????????????103
5．3 频域特性法的稳定性分析????????????????109
5．3．1 奈奎斯特稳定判据????????????????????????????????109
5．3．2 稳定裕度????????????????????????????????????????????????????114
5．3．3 开环对数幅频特性曲线与
系统性能之间的关系??????????????????????????117
本章小结??????????????????????????????????????????????????????????????????????????126
习题??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????127
第6 章控制系统设计????????????????????????????????????????????131
6．1 概述????????????????????????????????????????????????????????????????????????131
6．2 PID 控制器????????????????????????????????????????????????????．131
6．2．1 PID 控制器概述??????????????????????????????????．131
6．2．2 比例控制器????????????????????????????????????????????．131
6．2．3 比例微分控制器??????????????????????????????????．132
6．2．4 积分控制器????????????????????????????????????????????．133
6．2．5 比例积分控制器??????????????????????????????????．133
6．2．6 比例积分微分控制器????????????????????????．134
6．3 基于频域法的控制系统
设计??????????????????????????????????????????????????????????????????????．135
6．3．1 相位超前补偿????????????????????????????????????????．135
6．3．2 相位滞后补偿????????????????????????????????????????．137
6．3．3 相位滞后?超前补偿??????????????????????????．138
6．3．4 串联补偿网络的期望幅频
特性设计方法????????????????????????????????????????．139
6．3．5 反馈补偿??????????????????????????????????????????????????．146
本章小结????????????????????????????????????????????????????????????????????????．148
习题????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．148
第7 章非线性系统分析??????????????????????????????????．150
7．1 非线性系统概述??????????????????????????????????????．150
7．1．1 为什么研究非线性系统??????????????????．150
7．1．2 非线性系统的特性????????????????????????????．150
7．1．3 非线性系统的特点????????????????????????????．153
7．1．4 非线性系统的分析方法??????????????????．154
7．2 相平面法??????????????????????????????????????????????????????????．155
7．2．1 相平面的基本概念????????????????????????????．155
7．2．2 相轨迹的绘制????????????????????????????????????????．156
7．2．3 奇点????????????????????????????????????????????????????????????．158
7．2．4 非线性系统的相平面分析????????????．160
7．3 描述函数法????????????????????????????????????????????????????．162
7．3．1 描述函数的基本概念????????????????????????．162
7．3．2 典型非线性环节的描述函数????????．166
7．3．3 非线性系统的描述函数法
分析????????????????????????????????????????????????????????????．170
本章小结????????????????????????????????????????????????????????????????????????．176
习题????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．177
第8 章线性离散系统 ????????????????????????????????????????．179
8．1 计算机控制系统概述??????????????????????????．179
8．1．1 计算机控制系统简图??????????????????????????179
8．1．2 计算机控制系统的组成????????????????????180
8．1．3 计算机控制系统的特点????????????????????180
8．1．4 信号的采样与恢复????????????????????????????????181
8．2 计算机控制系统分析????????????????????????????181
8．2．1 离散系统的稳定性分析????????????????????181
8．2．2 线性采样系统稳定的充要
条件????????????????????????????????????????????????????????????????183
8．2．3 离散系统的过渡响应分析????????????????184
本章小结??????????????????????????????????????????????????????????????????????????186
习题??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????186
第9 章线性系统的状态空间分析????????????187
9．1 概述????????????????????????????????????????????????????????????????????????187
9．2 基本概念????????????????????????????????????????????????????????????187
9．2．1 系统????????????????????????????????????????????????????????????????187
9．2．2 系统状态空间描述????????????????????????????????188
9．2．3 动态系统状态空间表达式的
一般形式????????????????????????????????????????????????????190
9．3 线性多变量系统的运动
分析????????????????????????????????????????????????????????????????????????191
9．3．1 线性系统状态方程的解????????????????????192
9．3．2 状态转移矩阵的性质??????????????????????????192
9．4 Lyapunov 稳定性分析????????????????????????????194
9．4．1 概述????????????????????????????????????????????????????????????????194
9．4．2 Lyapunov 意义下的稳定性
问题????????????????????????????????????????????????????????????．194
9．5 Lyapunov 稳定性理论????????????????????????．195
9．5．1 Lyapunov **法????????????????????????????????．195
9．5．2 Lyapunov 第二法????????????????????????????????．196
本章小结????????????????????????????????????????????????????????????????????????．198
习题????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．198
第10 章自动控制系统综合案例????????????．200
10．1 水位控制系统建模??????????????????????????????．200
10．1．1 单容水箱????????????????????????????????????????????????．200
10．1．2 双容水箱和三容水箱????????????????????．201
10．2 系统性能分析??????????????????????????????????????????．202
10．2．1 时域分析法的水位控制
系统分析????????????????????????????????????????????????．202
10．2．2 根轨迹分析法和频域分析法的
水位控制系统分析??????????????????????????．205
10．3 系统的校正和综合设计????????????????．206
10．3．1 超前校正????????????????????????????????????????????????．206
10．3．2 PID 控制器??????????????????????????????????????????．207
本章小结????????????????????????????????????????????????????????????????????????．208
附录A 拉普拉斯变换与反变换??????????????????．209
附录B 常用函数的拉普拉斯
变换表????????????????????????????????????????????????????????????．214
参考文献 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．215