自動控制原理

第1章 緒論（1）
1.1 自動控制的基本概念（1）
1.2 自動控制系統(tǒng)的組成（2）
1.3 自動控制系統(tǒng)的基本控制方式（3）
1.4 自動控制系統(tǒng)的分類（4）
1.5 自動控制系統(tǒng)的基本要求（6）
1.6 自動控制理論的產(chǎn)生及其發(fā)展（7）
小結(jié)（10）
習(xí)題（11）
第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（12）
2.1 微分方程（12）
2.1.1 微分方程的建立（12）
2.1.2 微分方程的增量表示（18）
2.2 非線性數(shù)學(xué)模型的線性化（19）
2.3 傳遞函數(shù)（21）
2.3.1 傳遞函數(shù)的定義（21）
2.3.2 傳遞函數(shù)的常用形式（24）
2.3.3 傳遞函數(shù)的特點(diǎn)（25）
2.3.4 典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)（26）
2.4 結(jié)構(gòu)圖（29）
2.4.1 結(jié)構(gòu)圖的概念（29）
2.4.2 結(jié)構(gòu)圖的簡化（30）
2.5 信號流圖（37）
2.5.1 信號流圖的概念（37）
2.5.2 信號流圖的繪制（38）
2.5.3 梅遜增益公式（39）
2.6 利用MATLAB描述和求解系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（41）
2.6.1 利用MATLAB描述系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（41）
2.6.2 利用MATLAB實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型間的轉(zhuǎn)換（41）
2.6.3 利用MATLAB化簡系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（42）
小結(jié)（43）
習(xí)題（44）
第3章 線性控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法（46）
3.1 引言（46）
3.1.1 典型輸入信號（46）
3.1.2 系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)的形式（48）
3.1.3 系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)的性能指標(biāo)（49）
3.2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性（50）
3.2.1 穩(wěn)定性的基本概念（51）
3.2.2 線性控制系統(tǒng)穩(wěn)定的條件（52）
3.2.3 代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)（53）
3.2.4 系統(tǒng)參數(shù)對穩(wěn)定性的影晌（56）
3.2.5 相對穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕量（57）
3.3 系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)（58）
3.3.1 一階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)（58）
3.3.2 二階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)（59）
3.3.3 高階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)（66）
3.4 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差（69）
3.4.1 穩(wěn)態(tài)誤差的定義（69）
3.4.2 靜態(tài)誤差系數(shù)法（70）
3.4.3 動態(tài)誤差系數(shù)法（72）
3.4.4 給定信號和擾動信號同時(shí)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差（74）
3.5 基于MATLAB的控制系統(tǒng)時(shí)域分析（75）
3.5.1 利用MATLAB分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性（75）
3.5.2 利用MATLAB分析系統(tǒng)的動態(tài)特性（76）
3.5.3 利用MATLAB計(jì)算系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差（78）
小結(jié)（79）
習(xí)題（79）
第4章 線性控制系統(tǒng)的復(fù)域分析法（83）
4.1 引言（83）
4.1.1 根軌跡的基本概念（83）
4.1.2 根軌跡的基本條件（85）
4.2 常規(guī)根軌跡的繪制（86）
4.2.1 負(fù)反饋系統(tǒng)的根軌跡（86）
4.2.2 正反饋系統(tǒng)的根軌跡（94）
4.3 廣義根軌跡的繪制（96）
4.3.1 單參數(shù)根軌跡（97）
4.3.2 多參數(shù)根軌跡（98）
4.4 純遲延根軌跡的繪制（99）
4.5 利用根軌跡分析控制系統(tǒng)（103）
4.5.1 利用根軌跡定性分析系統(tǒng)（103）
4.5.2 利用根軌跡定量分析系統(tǒng)（104）
4.6 利用MATLAB進(jìn)行根軌跡分析（107）
4.6.1 繪制系統(tǒng)根軌跡和獲得根軌跡增益（107）
4.6.2 繪制阻尼系數(shù)和自然頻率的柵格線（109）
小結(jié)（110）
習(xí)題（111）
第5章 線性控制系統(tǒng)的頻域分析法（114）
5.1 引言（114）
5.1.1 頻率特性的基本概念（114）
5.1.2 頻率特性的表示方法（116）
5.2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性（117）
5.2.1 比例環(huán)節(jié)（117）
5.2.2 積分環(huán)節(jié)（118）
5.2.3 微分環(huán)節(jié)（119）
5.2.4 一階慣性環(huán)節(jié)（119）
5.2.5 一階比例微分環(huán)節(jié)（121）
5.2.6 二階振蕩環(huán)節(jié)（121）
5.2.7 純遲后環(huán)節(jié)（123）
5.3 系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性（124）
5.3.1 開環(huán)頻率特性的極坐標(biāo)圖（Nyquist圖）（124）
5.3.2 開環(huán)頻率特性的對數(shù)坐標(biāo)圖（Bode圖）（127）
5.3.3 開環(huán)頻率特性的對數(shù)幅相圖（Nichols圖）（129）
5.3.4 最小相位系統(tǒng)（130）
5.4 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)（133）
5.4.1 基本原理（133）
5.4.2 奈奎斯特路徑及其映射（135）
5.4.3 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)（136）
5.4.4 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的推廣（139）
5.5 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量（140）
5.5.1 穩(wěn)定裕量在極坐標(biāo)圖中的表示（140）
5.5.2 穩(wěn)定裕量在對數(shù)坐標(biāo)圖中的表示（141）
5.5.3 穩(wěn)定裕量在對數(shù)幅相圖中的表示（142）
5.6 系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性（143）
5.6.1 等M圓（等幅值軌跡）和等N圓（等相角軌跡）（143）
5.6.2 利用等M圓和等N圓求系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性（145）
5.6.3 利用尼科爾斯圖求系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性（146）
5.7 利用頻率特性對閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分析（147）
5.7.1 系統(tǒng)頻域特性與穩(wěn)態(tài)性能的關(guān)系（148）
5.7.2 系統(tǒng)頻域特性與時(shí)域性能的關(guān)系（148）
5.8 基于MATLAB的控制系統(tǒng)頻域分析（151）
5.8.1 利用MATLAB繪制Bode圖（151）
5.8.2 利用MATLAB繪制Nyquist圖（152）
5.8.3 利用MATLAB繪制Nichols圖（153）
5.8.4 利用MATLAB計(jì)算系統(tǒng)的相角裕量和幅值裕量（153）
小結(jié)（154）
習(xí)題（154）
第6章 線性控制系統(tǒng)的校正方法（158）
6.1 引言（158）
6.1.1 性能指標(biāo)（158）
6.1.2 校正方式（158）
6.2 校正裝置及其特性（159）
6.2.1 PID控制器（159）
6.2.2 超前校正裝置（160）
6.2.3 滯后校正裝置（162）
6.2.4 滯后-超前校正裝置（164）
6.3 頻率法串聯(lián)校正（165）
6.3.1 頻率法的串聯(lián)超前校正（166）
6.3.2 頻率法的串聯(lián)滯后校正（168）
6.3.3 頻率法的串聯(lián)滯后-超前校正（170）
6.4 根軌跡法串聯(lián)校正（173）
6.4.1 根軌跡法的串聯(lián)超前校正（173）
6.4.2 根軌跡法的串聯(lián)滯后校正（176）
6.4.3 根軌跡法的串聯(lián)滯后-超前校正（179）
6.5 反饋校正（182）
6.5.1 反饋校正的原理（182）
6.5.2 反饋校正的設(shè)計(jì)（182）
6.6 復(fù)合校正（183）
6.6.1 按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合校正（183）
6.6.2 按擾動補(bǔ)償?shù)膹?fù)合校正（185）
6.7 基于MATLAB的控制系統(tǒng)校正（185）
6.7.1 利用MATLAB實(shí)現(xiàn)頻率法的串聯(lián)超前校正（185）
6.7.2 利用MATLAB實(shí)現(xiàn)頻率法的串聯(lián)滯后校正（187）
6.7.3 利用MATLAB實(shí)現(xiàn)頻率法的串聯(lián)滯后-超前校正（188）
小結(jié)（189）
習(xí)題（190）
第7章 非線性控制系統(tǒng)的分析（193）
7.1 引言（193）
7.1.1 非線性系統(tǒng)的特點(diǎn)（193）
7.1.2 常見的非線性特性（194）
7.1.3 非線性系統(tǒng)的分析方法（196）
7.2 相平面分析法（197）
7.2.1 概述（197）
7.2.2 相軌跡圖的繪制（203）
7.2.3 由相軌跡圖求系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)（207）
7.2.4 控制系統(tǒng)的相平面分析（208）
7.3 描述函數(shù)分析法（214）
7.3.1 概述（214）
7.3.2 典型非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)（215）
7.3.3 非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法分析（218）
7.3.4 非線性系統(tǒng)的簡化（224）
7.4 基于MATLAB的非線性系統(tǒng)分析（225）
7.4.1 利用MATLAB求解非線性系統(tǒng)的線性化模型（225）
7.4.2 基于MATLAB的相平面法分析非線性系統(tǒng)（227）
7.4.3 基于MATLAB的描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)（229）
小結(jié)（231）
習(xí)題（232）
第8章 線性離散控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)（234）
8.l 引言（234）
8.1.1 信號的采樣（235）
8.1.2 信號的保持（238）
8.2 z變換（240）
8.2.1 z變換定義（240）
8.2.2 z變換方法（241）
8.2.3 z變換的基本定理（242）
8.2.4 z反變換（245）
8.3 離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（246）
8.3.1 差分方程（246）
8.3.2 脈沖傳遞函數(shù)（248）
8.4 離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析（253）
8.4.1 離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定的條件（253）
8.4.2 代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)（254）
8.5 離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差（256）
8.5.1 典型輸入信號下的穩(wěn)態(tài)誤差（256）
8.5.2 擾動信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差（258）
8.6 離散控制系統(tǒng)的動態(tài)性能（258）
8.6.1 離散系統(tǒng)的輸出響應(yīng)（259）
8.6.2 閉環(huán)零點(diǎn)、極點(diǎn)分布對瞬態(tài)響應(yīng)的影響（259）
8.6.3 離散系統(tǒng)的根軌跡分析（262）
8.7 離散控制系統(tǒng)的校正（263）
8.7.1 采用伯德圖的方法（263）
8.7.2 最少拍控制系統(tǒng)的校正（265）
8.8 基于MATLAB的離散控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)（267）
8.8.1 利用MATLAB實(shí)現(xiàn)z變換（267）
8.8.2 利用MATLAB實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)的離散化（268）
8.8.3 利用MATLAB分析離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性（268）
8.8.4 利用MATLAB計(jì)算離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差（269）
8.8.5 利用MATLAB分析離散系統(tǒng)的動態(tài)特性（269）
小結(jié)（271）
習(xí)題（271）
附錄A 拉普拉斯變換（273）
附錄B 習(xí)題參考答案（277）
參考文獻(xiàn)（283）