自动控制

第1章引论1

1.1什么是反馈1

1.2什么是控制3

1.3反馈实例4

1.3.1早期技术实例4

1.3.2发电与输电5

1.3.3航空与运输6

1.3.4材料及其处理7

1.3.5仪器8

1.3.6机器人学与智能机器9

1.3.7网络与计算系统10

1.3.8经济学11

1.3.9自然中的反馈12

1.4反馈特性14

1.4.1鲁棒性与不确定性14

1.4.2动态特性的设计15

1.4.3高级自动控制16

1.4.4反馈的缺点17

1.4.5前馈17

1.4.6正反馈18

1.5简单形式的反馈18

1.5.1通断控制18

1.5.2PID控制19

1.6进阶阅读20

习题21

第2章系统建模22

2.1建模的概念22

2.1.1力学中的阐释22

2.1.2电气工程的阐释24

2.1.3控制的观点25

2.1.4多学科建模26

2.2状态空间模型27

2.2.1常微分方程组27

2.2.2差分方程30

2.2.3仿真与分析33

2.3建模方法35

2.3.1方框图36

2.3.2实验建模38

2.3.3归一化与定标39

2.3.4模型的不确定性40

2.4建模实例41

2.4.1运动控制系统41

2.4.2信息系统43

2.4.3生物系统47

2.5进阶阅读49

习题49

第3章实例53

3.1定速巡航控制53

3.2自行车动态特性模型56

3.3运算放大器电路58

3.4计算系统与网络61

3.4.1Web服务器控制61

3.4.2拥塞控制63

3.5原子力显微镜65

3.6药物管理68

3.6.1房室模型69

3.6.2胰岛素-葡萄糖动态平衡70

3.7种群动态特性72

3.7.1后勤增长模型72

3.7.2捕食者-猎物模型72

习题73

第4章动态行为76

4.1求解微分方程76

4.2定性分析78

4.2.1相图79

4.2.2平衡点和极限环79

4.3稳定性81

4.3.1定义81

4.3.2线性系统的稳定性83

4.3.3基于线性近似的稳定性分析86

4.4李雅普诺夫稳定性分析88

4.4.1李雅普诺夫函数88

4.4.2Krasovski-Lasalle不变性原理94

4.5参数化行为与非局部行为95

4.5.1吸引域95

4.5.2分岔96

4.5.3利用反馈进行非线性动态特性设计98

4.6进阶阅读100

习题100

第5章线性系统104

5.1基本定义104

5.1.1线性特性105

5.1.2时不变性107

5.2矩阵指数108

5.2.1初始条件响应108

5.2.2约当标准型111

5.2.3特征值和模式114

5.3输入/输出响应116

5.3.1卷积方程116

5.3.2坐标不变性118

5.3.3稳态响应120

5.3.4采样125

5.4线性化127

5.4.1平衡点处的雅可比线性化128

5.4.2反馈线性化130

5.5进阶阅读131

习题131

第6章状态反馈134

6.1可达性134

6.1.1可达性的定义134

6.1.2可达性的判定135

6.1.3可达标准型138

6.2基于状态反馈的稳定化141

6.2.1状态空间控制器的结构141

6.2.2可达标准型系统中的状态反馈144

6.2.3特征值配置145

6.3状态反馈的设计147

6.3.1二阶系统147

6.3.2高阶系统151

6.3.3线性二次调节器153

6.4积分作用157

6.5进阶阅读159

习题160

第7章输出反馈163

7.1可测性163

7.1.1可测性的定义163

7.1.2可测性的检验164

7.1.3可测标准型166

7.2状态估算167

7.2.1观测器167

7.2.2观测器增益的计算170

7.3基于状态估计的控制171

7.4卡尔曼滤波器174

7.5一种通用控制器结构177

7.5.1前馈177

7.5.2线性系统的卡尔曼解构180

7.5.3计算机实现181

7.6进阶阅读183

习题183

第8章传递函数185

8.1频域建模185

8.2传递函数的推导186

8.2.1指数信号的传输186

8.2.2坐标的改变189

8.2.3线性系统的传递函数189

8.2.4增益、极点和零点192

8.3方框图和传递函数195

8.3.1控制系统的传递函数196

8.3.2极点/零点抵消199

8.3.3代数环200

8.4伯德图201

8.4.1伯德图的绘制及解释202

8.4.2由实验获得传递函数207

8.5拉普拉斯变换209

8.6进阶阅读210

习题211

第9章频域分析法215

9.1环路传递函数215

9.2奈奎斯特判据217

9.2.1奈奎斯特图217

9.2.2条件稳定性221

9.2.3通用奈奎斯特判据221

9.2.4奈奎斯特稳定定理的推导222

9.3稳定裕度223

9.4伯德图关系和最小相位系统227

9.5增益和相位的广义概念229

9.5.1系统增益229

9.5.2小增益和无源性230

9.5.3描述函数231

9.6进阶阅读232

习题233

第10章PID控制235

10.1基本控制功能235

10.2用于复杂系统的简化控制器239

10.3PID整定242

10.3.1Ziegler-Nichols整定242

10.3.2延迟反馈244

10.4积分器饱和245

10.5实现247

10.5.1滤波微分247

10.5.2给定加权247

10.5.3基于运算放大器的实现248

10.5.4计算机实现249

10.6进阶阅读250

习题251

第11章频域设计253

11.1灵敏度函数253

11.2前馈设计256

11.3性能指标258

11.3.1对参考信号的响应258

11.3.2对负载干扰及测量噪声的响应259

11.4基于环路整形的反馈设计261

11.4.1设计考虑因素261

11.4.2超前和滞后补偿262

11.5基本限制因素265

11.5.1右半平面极点、零点以及时间延迟265

11.5.2波特积分公式268

11.5.3波特公式的推导271

11.6设计实例272

11.7进阶阅读275

习题275

第12章鲁棒性能278

12.1建模的不确定性278

12.1.1未被建模的动态特性279

12.1.2两个系统的相似维尼科姆度量280

12.2存在不确定性时的稳定性282

12.2.1应用奈奎斯特判据判断鲁棒稳定性282

12.2.2Youla参数化285

12.3存在不确定性时的性能287

12.3.1干扰衰减287

12.3.2参考信号的跟踪288

12.4鲁棒性极点配置290

12.4.1慢稳过程零点290

12.4.2快稳过程极点292

12.4.3极点配置的设计准则293

12.5鲁棒性能设计296

12.5.1定量反馈理论296

12.5.2线性二阶控制297

12.5.3H1控制297

12.5.4干扰加权299

12.5.5鲁棒设计的局限299

12.6进阶阅读300

习题300

参考文献302

　　本书介绍了反馈控制系统的建模、分析与设计。与其他同类书不同，本书基于指数响应来建立传递函数的概念，并从物理学、生物学、信息科学以及经济学等许多领域中选取反馈实例来进行阐述。　　书中先从反馈系统设计与分析的状态空间工具入手。介绍解的稳定性、李雅普诺夫函数、可达性、状态反馈的可观测性以及观测器。接着建立并解释了频域工具，其中包括传递函数、奈奎斯特分析、PID控制、频域设计以及鲁棒性等。另外，书中每章还提供了大量习题。　　本书是自动控制领域国际级权威的经典著作。书中通过物理学、生物学、计算机科学和运筹学等学科中的应用实例，全面阐述了反馈控制的基本理论和设计方法，介绍了对反馈系统进行建模、分析和设计时的数学应用，讲解了频域中的分析方法，包括传递函数、奈奎斯特分析、PID控制、频域设计和鲁棒性等。　　对于本科生和研究生来说，这是一本完美的自动控制原理教科书；对于研究人员来说，这是一本必不可少的内容全面的参考书。