控制工程导论

目录 前言 1 自动控制的一般概念 1 1.1 控制、自动控制及自动控制系统 1 1.2 自动控制的基本控制方式 1 1.2.1 开环控制 1 1.2.2 反馈控制 4 1.2.3 复合控制 5 1.3 反馈控制系统的基本结构及分类 6 1.3.1 反馈控制系统基本结构 6 1.3.2 反馈控制系统分类 6 1.4 控制工程基础概要 7 1.4.1 系统建模 7 1.4.2 系统分析 7 1.4.3 自动控制系统校正 7 2 控制系统的数学模型 8 2.1 控制系统的时域数学模型 8 2.1.1 控制系统时域数学模型建立的基本方法 8 2.1.2 控制系统时域数学模型建立示例 9 2.1.3 非线性微分方程线性化 11 2.2 控制系统的复数域数学模型 12 2.2.1 传递函数 12 2.2.2 典型环节传递函数 16 2.3 控制系统结构图及其简化 22 2.3.1 控制系统结构图基本单元、概念及画法 22 2.3.2 控制系统结构图简化 23 2.4 控制系统的信号流图 34 2.4.1 系统信号流图画法 35 2.4.2 根据系统的信号流图求取闭环传递函数 37 小结 39 习题 39 3 线性定常系统的时域分析法 42 3.1 典型输入信号 42 3.2 线性定常系统的稳定性分析 43 3.2.1 稳定性的概念 43 3.2.2 系统稳定的充要条件 44 3.2.3 系统的稳定判据 45 3.2.4 劳斯-赫尔维茨判据应用 47 3.3 线性定常系统的动态性能分析 50 3.3.1 典型二阶系统动态性能分析 51 3.3.2 典型二阶系统动态性能指标 54 3.3.3 改善典型二阶系统动态性能的方法 56 3.3.4 高阶系统动态性能分析 58 3.4 线性定常系统稳态误差的计算 59 3.4.1 系统误差及系统稳态误差的概念 59 3.4.2 系统稳态误差的计算 61 3.4.3 反馈系统在扰动作用下系统稳态误差的计算 64 3.4.4 复合控制系统稳态误差的计算 65 小结 67 习题 68 4 线性系统的根轨迹 71 4.1 根轨迹与根轨迹方程 71 4.1.1 根轨迹 71 4.1.2 根轨迹中系统闭环传递函数零极点与开环传递函数零极点的关系 72 4.1.3 根轨迹方程 73 4.2 根轨迹绘制的基本法则 74 4.3 系统根轨迹的绘制实例 76 4.4 系统性能的根轨迹分析 79 4.4.1 系统性能的定性分析 79 4.4.2 附加开环零点对系统性能的改善 80 小结 83 习题 83 5 线性定常系统的频域分析法 84 5.1 频率特性的基本概念及几何表示方法 84 5.1.1 频率特性的基本概念 84 5.1.2 频率特性的几何表示方法 85 5.2 典型环节频率特性绘制及特点 87 5.2.1 比例环节 88 5.2.2 惯性环节 89 5.2.3 积分环节 90 5.2.4 微分环节 92 5.2.5 振荡环节 94 5.2.6 不稳定惯性环节 96 5.3 闭环系统的开环频率特性绘制 98 5.3.1 开环频率特性绘制方法 98 5.3.2 开环对数幅频特性及对数相频特性绘制 101 5.4 系统稳定性的频域判据 103 5.4.1 奈奎斯特稳定判据 103 5.4.2 对数稳定判据 106 5.5 系统稳定裕度 107 5.6 *小相位系统开环对数幅频特性与闭环系统动态及稳态性能的关系 110 5.6.1 低频段与系统稳态误差的关系 110 5.6.2 斜率对的影响 111 5.6.3 开环增益K对的影响 112 5.6.4与系统动态性能的关系 114 小结 116 习题 116 6 线性定常系统的校正 120 6.1 线性定常系统校正的概念、方式和方法 120 6.1.1 线性定常系统校正的概念 120 6.1.2 线性定常系统校正的方式 120 6.1.3 线性定常系统校正的方法 122 6.2 常用校正装置及其控制规律 122 6.2.1 超前校正及其装置 123 6.2.2 滞后校正及其装置 123 6.2.3 滞后超前校正及其装置 124 6.3 应用频域分析法进行串联校正的基本方法及步骤 127 6.4 工程设计方法 130 6.4.1 典型“I”型系统设计方法 130 6.4.2 典型“II”型系统设计方法 132 6.5 线性定常系统的复合控制校正 135 小结 137 习题 138 7 线性采样系统分析 140 7.1 离散采样系统的基本概念 140 7.2 z变换理论 141 7.2.1 z变换定义 141 7.2.2 典型信号的z变换 142 7.2.3 z变换定理 143 7.2.4 z变换说明 147 7.2.5 z变换的局限性 147 7.3 采样与信号保持 148 7.3.1 采样过程数学描述 148 7.3.2 采样定理 149 7.3.3 信号的复现与保持器 150 7.4 脉冲传递函数 152 7.4.1 脉冲传递函数的定义 152 7.4.2 脉冲传递函数与差分方程的关系 153 7.4.3 脉冲传递函数的求法 154 7.4.4 串联环节的脉冲传递函数 154 7.4.5 有零阶保持器的开环脉冲传递函数 155 7.4.6 闭环系统脉冲传递函数 156 7.5 离散采样系统的性能分析 158 7.5.1 离散采样系统稳定性分析 158 7.5.2 离散采样系统的系统稳态误差计算 160 7.5.3 离散采样系统的动态性能分析 161 7.6 离散采样系统和连续系统的性能对比 163 小结 164 习题 165 8 控制系统的状态空间分析 167 8.1 状态空间分析法的基本概念 167 8.2 线性系统状态空间模型的建立 168 8.2.1 利用系统微分方程建立状态空间方程 168 8.2.2 利用系统传递函数建立状态空间方程 170 8.2.3 线性系统的状态空间方程与传递函数的关系 171 8.2.4 状态空间方程之间的转换 171 8.3 线性系统状态空间方程的求解 172 8.3.1 线性系统状态空间方程的解 172 8.3.2 状态转移矩阵及其性质 172 8.3.3 状态转移矩阵求取 173 8.3.4 线性系统的输出方程 173 8.4 线性系统的可控性和可观测性 173 8.4.1 线性系统的可控性 174 8.4.2 线性定常系统的状态可控性的代数判据 174 8.4.3 线性系统的可观测性 174 8.4.4 线性定常系统的状态可观测性的代数判据 174 8.4.5 对偶原理 175 8.5 线性系统状态空间的标准型 175 8.5.1 可控标准型 175 8.5.2 可观测标准型 175 8.6 线性系统的状态反馈和输出反馈 176 8.6.1 线性系统的状态反馈 176 8.6.2 线性系统的输出反馈 177 8.6.3 状态观测器 178 8.6.4 分离定理 179 8.7 李雅普诺夫稳定性分析 180 8.7.1 相关数学基础 180 8.7.2 李雅普诺夫意义下稳定性的含义 181 8.7.3 李雅普诺夫第二法 182 8.7.4 李雅普诺夫第二法在线性定常系统中的应用 183 小结 183 习题 184 9 MATLAB的应用 185 9.1 MATLAB与控制系统的数学模型 185 9.1.1 线性连续系统的数学模型 185 9.1.2 线性离散系统的数学模型 187 9.1.3 数学模型间的变换 188 9.2 MATLAB与控制系统的时域分析 190 9.2.1 线性系统的性能计算 190 9.2.2 稳定性分析 193 9.3 MATLAB与控制系统的频域分析 194 9.3.1 奈奎斯特*线的绘制 194 9.3.2 伯德图的绘制 196 9.3.3 幅值裕度和相位裕度的求取 197 9.4 MATLAB与离散系统的分析 197 9.4.1 离散系统的时域响应 197 9.4.2 离散系统的稳定性分析 200 9.5 MATLAB与系统的根轨迹 200 9.5.1 绘制系统的根轨迹 200 9.5.2 计算系统根轨迹的增益及其他极点的计算 202 小结 203 习题 203 10 控制系统在车辆工程中的应用 205 10.1 电子节气门控制系统 205 10.1.1 电子节气门结构 206 10.1.2 节气门模型推导 208 10.1.3 节气门系统中的PID控制 210 10.2 发动机怠速控制系统 212 10.2.1 发动机怠速模型的建立 212 10.2.2 发动机怠速控制器设计 215 小结 221 参考文献 222