目錄
前言
第1章 控制系統(tǒng)一般概念 1
1.1 引言 1
1.2 控制科學與控制論、系統(tǒng)論、信息論 2
1.3 自動控制的發(fā)展 2
1.4 自動控制系統(tǒng)分類和組成 4
1.4.1 自動控制的有關概念 4
1.4.2 自動控制系統(tǒng)分類 4
1.4.3 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng) 5
1.4.4 恒值控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng) 7
1.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成 8
1.6 現(xiàn)代控制系統(tǒng)實例 10
1.7 對控制系統(tǒng)的基本要求 14
1.8 典型控制輸入信號或者測試信號 15
習題 17
第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 20
2.1 控制系統(tǒng)的微分方程 20
2.1.1 控制系統(tǒng)微分方程的建立 20
2.1.2 非線性系統(tǒng)的線性近似 24
2.2 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 27
2.2.1 傳遞函數(shù)的定義 27
2.2.2 常用控制元件的傳遞函數(shù) 32
2.3 控制系統(tǒng)的頻率特性 33
2.3.1 頻率特性的基本概念 33
2.3.2 頻率特性的幾何表示方法 35
2.4 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型 37
2.4.1 狀態(tài)變量與狀態(tài)空間 37
2.4.2 狀態(tài)空間表達式 37
2.4.3 各數(shù)學模型間的相互轉換 40
2.5 控制系統(tǒng)的結構圖與信號流圖 46
2.5.1 控制系統(tǒng)的結構圖 46
2.5.2 控制系統(tǒng)的信號流圖 51
2.6 典型控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 54
2.7 拉普拉斯變換 57
2.7.1 拉普拉斯變換的定義 57
2.7.2 拉普拉斯變換的常用定理 58
2.7.3 拉普拉斯逆變換 61
2.7.4 利用拉普拉斯變換法求解微分方程 64
習題 65
第3章 時域分析法 70
3.1 控制系統(tǒng)的時域響應和時域性能指標 70
3.1.1 控制系統(tǒng)的時域響應 70
3.1.2 控制系統(tǒng)的時域性能指標 70
3.2 線性系統(tǒng)的動態(tài)性能分析 71
3.2.1 一階系統(tǒng)的動態(tài)性能分析 71
3.2.2 二階系統(tǒng)的動態(tài)性能分析 76
3.2.3 高階系統(tǒng)的動態(tài)性能近似分析 88
3.3 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 90
3.3.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念 90
3.3.2 線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件 91
3.3.3 勞斯判據(jù) 92
3.4 線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能分析 98
3.4.1 誤差及穩(wěn)態(tài)誤差 98
3.4.2 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的一般性分析 101
3.4.3 利用前饋控制減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的方法 107
3.5 PID控制器設計 112
3.5.1 PID控制原理及形式 113
3.5.2 PID參數(shù)整定方法 115
3.5.3 時域法的設計實例 121
習題 125
第4章 根軌跡法 132
4.1 根軌跡法的基本概念 132
4.1.1 根軌跡的基本概念 132
4.1.2 根軌跡與系統(tǒng)性能關系分析 133
4.1.3 根軌跡方程 134
4.2 繪制根軌跡的一般方法 136
4.2.1 180°根軌跡(常規(guī)根軌跡) 136
4.2.2 0°根軌跡 147
4.2.3 參數(shù)根軌跡 148
4.3 根軌跡法設計實例 150
習題 156
第5章 頻率響應法 159
5.1 控制系統(tǒng)的頻率響應 159
5.1.1 頻率響應的概念 159
5.1.2 利用頻率響應的概念求穩(wěn)態(tài)輸出 161
5.2 開環(huán)極坐標圖 163
5.2.1 典型環(huán)節(jié)的極坐標圖 163
5.2.2 開環(huán)傳遞函數(shù)的極坐標圖繪制 168
5.3 開環(huán)Bode圖 171
5.3.1 典型環(huán)節(jié)的Bode圖 171
5.3.2 開環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖繪制 176
5.3.3 用Matlab繪制系統(tǒng)的Bode圖 180
5.3.4 最小相角和非最小相角系統(tǒng) 182
5.4 頻域穩(wěn)定判據(jù) 184
5.4.1 Nyquist穩(wěn)定判據(jù)的數(shù)學基礎 185
5.4.2 對數(shù)頻域穩(wěn)定判據(jù) 191
5.4.3 頻域穩(wěn)定裕度 192
5.5 頻域性能指標 194
5.6 用Matlab分析系統(tǒng)穩(wěn)定性 198
5.7 校正補償及設計 202
5.7.1 典型補償環(huán)節(jié) 202
5.7.2 補償設計實例 204
習題 210
第6章 線性離散系統(tǒng)分析 216
6.1 離散系統(tǒng)的基本概念 216
6.1.1 采樣控制系統(tǒng) 216
6.1.2 數(shù)字控制系統(tǒng) 218
6.1.3 離散控制系統(tǒng)的特點 219
6.2 信號采樣與保持 220
6.2.1 信號采樣 220
6.2.2 零階保持器 221
6.3 z變換理論 221
6.3.1 z變換定義 221
6.3.2 z變換方法 222
6.3.3 z變換的基本性質 223
6.3.4 z反變換 224
6.4 離散系統(tǒng)的數(shù)學模型 226
6.4.1 線性常系數(shù)差分方程及其解法 226
6.4.2 脈沖傳遞函數(shù) 229
6.4.3 開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù) 231
6.4.4 閉環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù) 233
6.5 離散系統(tǒng)的性能分析 235
6.5.1 穩(wěn)定性分析 235
6.5.2 離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 238
6.6 離散系統(tǒng)的數(shù)字PID控制 241
習題 243
第7章 狀態(tài)反饋系統(tǒng)設計 246
7.1 系統(tǒng)的可控性與可觀性 246
7.1.1 系統(tǒng)的可控性 246
7.1.2 系統(tǒng)的可觀性 247
7.1.3 系統(tǒng)的可控性與可觀性判據(jù) 248
7.2 用狀態(tài)反饋配置閉環(huán)系統(tǒng)的極點 249
7.2.1 狀態(tài)反饋與極點配置 250
7.2.2 用Matlab工具箱進行控制律設計 251
習題 254
第8章 非線性控制系統(tǒng)分析 257
8.1 引言 257
8.2 非線性控制系統(tǒng)概述 257
8.2.1 非線性系統(tǒng)的特點 257
8.2.2 非線性系統(tǒng)的分析與設計方法 260
8.3 常見非線性特性及其對系統(tǒng)性能的影響 260
8.4 描述函數(shù)法 265
8.4.1 描述函數(shù)的基本概念 265
8.4.2 典型非線性特性描述函數(shù) 267
8.4.3 非線性系統(tǒng)的簡化 272
8.4.4 描述函數(shù)法進行非線性系統(tǒng)分析 275
8.5 非線性控制系統(tǒng)仿真實例 279
習題 282
第9章 現(xiàn)代控制系統(tǒng)案例分析 285
9.1 磁懸浮球控制系統(tǒng) 285
9.1.1 磁懸浮球系統(tǒng)的結構和工作機理 285
9.1.2 磁懸浮球的數(shù)學模型 285
9.1.3 磁懸浮球的PID控制 286
9.2 彩色顯像管廠玻璃窯爐控制系統(tǒng) 288
9.2.1 玻璃窯爐結構與工作原理 288
9.2.2 玻璃窯爐的溫度控制 289
9.3 煉油廠蒸餾塔加熱爐純滯后溫度控制系統(tǒng) 293
9.3.1 石油分餾加工流程簡介 293
9.3.2 加熱爐數(shù)學模型的建立 294
9.3.3 加熱爐溫度系統(tǒng)的PID控制算法設計與研究 294
9.4 四旋翼飛行器視覺跟蹤控制系統(tǒng) 297
9.4.1 四旋翼飛行器的結構和飛行原理 297
9.4.2 四旋翼俯仰方向飛行器模型的建立和PID控制 299
附錄 中英文術語對照 301
參考文獻 304