自动控制理论基础

出版说明

前言

第1章自动控制理论及MATLAB

简介

1.1自动控制的历史

1.2自动控制理论的基本概念

1.2.1经典控制理论和现代控制理论

1.2.2开环控制和闭环控制

1.2.3自动控制举例

1.2.4自动控制系统的分类

1.2.5对自动控制系统的基本要求

1.3控制系统MATIJAB计算及仿真

1.3.1控制系统计算机仿真的基本概念

1.3.2MATLAB简介

1.3.3控制系统MATLAB计算仿真的

优秀性能

1.3.4MATLAB开发控制系统流程

1.4习题

第2章控制系统的数学模型

2.1系统微分方程的建立

2.2传递函数

2.2.1传递函数的基本概念和定义

2.2.2传递函数的基本性质

2.2.3传递函数的求取

2.3典型环节的传递函数

2.3.1比例环节

2.3.2惯性环节

2.3.3积分环节

2.3.4微分环节

2.3.5振荡环节

2.3.6延迟环节

2.4闭环控制系统的动态结构图

2.4.1动态结构图的概念

2.4.2动态结构图的建立

2.5动态结构图的等效变换

2.5.1动态结构图的等效变换

2.5.2动态结构图的等效变换举例

2.5.3梅逊公式

2.6控制系统的传递函数

2.6.1开环传递函数

2.6.2给定输入作用下的闭环系统

2.6.3扰动Ⅳ(s)作用下的闭环传

递函数

2.6.4给定输入和扰动输入同时作用

下的闭环系统

2.7习题

第3章时域分析法

3.1型输入信号与系统的性能指标

3.1.1典型的初始状态

3.1.2典型的输入信号

3.1.3单位阶跃响应的性能指标

3.2典型一阶系统的时域响应

3.2.1典型一阶系统的数学模型

3.2.2典型一阶系统的单位阶跃响应

3.2.3典型一阶系统的单位斜坡响应

3.2.4典型一阶系统的单位脉冲响应

3.2.5三种响应间的关系

3.3典型二阶系统的阶跃响应

3.3.1典型二阶系统的数学模型

3.3.2典型二阶系统的单位阶跃响应

3.3.3欠阻尼二阶系统阶跃响应的

性能指标

3.3.4改善二阶系统动态特性的方法

3.4高阶系统的时域响应

3.4.1三阶系统的阶跃响应

3.4.2高阶系统的动态性能分析

3.4.3高阶系统的分析方法

3.5控制系统的稳定性与代数判据

3.5.1稳定的基本概念

3.5.2系统稳定的条件

3.5.3系统稳定的必要条件

3.5.4劳斯(I／outh)判据

3.5.5劳斯判据的特殊情况

3.5.6用劳斯判据分析系统参数与稳

定性的关系

3.5.7古尔维茨(}turwitz)判据

3.6稳态误差分析

3.6.1误差与稳态误差的定义

3.6.2给定输入下的稳态误差

3.6.3振动作用下的稳态误差

3.6.4改善系统稳态精度的方法

3.7习题

第4章根轨迹法

4.1根轨迹的基本概念

4.2根轨迹方程

4.2.1根轨迹方程的定义

4.2.2用试探法绘制根轨迹

4.3根轨迹的绘制法则

4.4广义根轨迹

4.4.1参量根轨迹

4.4.2延迟系统的根轨迹

4.4.3正反馈回路和零度根轨迹

4.5控制系统的根轨迹分析

4.5.1闭环零、极点分布与系统性能

的关系

4.5.2闭环主导极点的分布与系统阶

跃响应的关系

4.5.3增加零、极点对根轨迹和系统动

态性能的影响

4.6习题

第5章频率特性法

5.1频率特性的基本概念

5.2频率特性的几何表示法

5.2.1极坐标图(奈奎斯特图)

5.2.2对数坐标图(伯德图)

5.3典型环节的频率特性

5.3.1比例环节

5.3.2积分环节

5.3.3惯性环节

5.3.4振荡环节

5.3.5微分环节与比例微分环节

5.3.6延迟环节

5.4系统开环频率特性的绘制

5.4.1开环对数频率特性曲线的绘制

5.4.2开环幅相特性曲线的绘制

5.5奈奎斯特稳定判据和对数频率

稳定判据

5.5.1奈奎斯特稳定判据

5.5.2对数频率稳定判据

5.5.3稳定裕量

5.6开环频率特性与系统阶跃响应的

关系

5.6.1伯德定理

5.6.2开环对数幅频特性的低频段与

系统稳态误差的关系

5.6.3开环频率特性的中频段与系统

动态性能的关系

5.6.4高频段的作用

5.7闭环系统的频域特性分析

5.7.1闭环系统的频域性能指标

5.7.2闭环频率特性的求法

5.7.3等M圆

5.7.4等Ⅳ圆(等a圆)

5.7.5利用等M圆和等Ⅳ圆线图求

闭环频率特性

5.8习题

第6章控制系统的校正

6.1概述

6.1.1系统的性能指标

6.1.2校正的一般概念

6.1.3控制系统的校正方式

6.2PID控制规律分析

6.2.1比例(P)控制规律

6.2.2比例加微分(PD)控制规律

6.2.3积分(I)控制规律

6.2.4比例积分(PI)控制规律

6.2.5比例加积分加微分(PID)控

制规律

6.3串联校正

6.3.1常用校正装置及其特性

6.3.2频率特性法在系统校正中

的应用

6.4反馈校正

6.4.1利用反馈改变局部结构、参数

6.4.2利用反馈减弱参数变化对系统

性能的影响

6.5复合校正

6.5.1附加前馈校正的复合控制

6.5.2附加干扰补偿校正的复合控制

6.6控制系统的“最佳”模型设计方法

6.6.1开环“最佳”控制模型的选择

6.6.2控制系统模型的近似处理

6.6.3基于二阶“最佳”模型设

计方法的应用

6.6.4基于三阶“最佳”模型设计方

法的应用

6.6.5说明

6.7习题

第7章非线性系统

7.1常见的非线性特性

7.1.1死区

7.1.2饱和

7.1.3间隙

7.1.4继电特性

7.2非线性系统的特点

7.3典型非线性特性的描述函数

7.3.1描述函数的定义

7.3.2几种典型的非线性特性的描

述函数

7.4用描述函数法分析非线性系统

7.4.1非线性系统的稳定分析

7.4.2自激振荡的稳定性

7.4.3用描述函数法分析非线性系统

7.5相平面法基础

7.5.1相平面图的绘制

7.5.2相平面图的性质

7.5.3奇点与极限环

7.5.4用相平面法分析非线性系统

7.6习题

第8章现代控制理论基础

8.1状态变量及状态空间表达式

8.1.1状态空间法的提出

8.1.2状态与状态空间表达式

8.2状态空间表达式的建立

8.2.1由系统运动规律建立状态空

间表达式

8.2.2由系统的动态结构图建立状态

空间表达式

8.2.3由系统的微分方程或传递函数建

立状态空间表达式

8.3状态方程的线性变换

8.3.1矩阵的特征方程、特征值和

特征向量

8.3.2变换矩阵P的求取

8.4线性定常系统状态方程的解

8.4.1齐次状态方程的解

8.4.2线性定常系统的状态转移矩阵

8.4.3非齐次状态方程的解

8.线性系统的可控性和可观测性

8.5.1线性定常系统的可控性

8.5.2线性定常系统的可观测性

8.5.3对偶原理

8.5.4可控性、可观测性与传递

函数的关系

8.6习题

第9章采样控制系统

9.1采样控制系统的基本概念

9.2连续信号的采样与复现

9.2.1采样过程

9.2.2信号保持

9.3Z变换与z反变换

9.3.1Z变换的定义

9.3.2Z变换的基本定理

9.3.3Z反变换

9.4采样控制系统的数学模型

9.4.1线性常系数差分方程及其求解

9.4.2脉冲传递函数的基本概念

9.4.3采样控制系统脉冲传递函数

的求取

9.5采样控制系统的稳定性与稳态误差

9.5.1采样控制系统稳定性分析

9.5.2采样控制系统稳态误差计算

9.6习题

第10章计算机辅助分析与设计

10.1MATLAB语言简介

10.1.1进入MATIAB环境和执行

MATLAB的命令与程序

10.1.2Simulink软件包

10.2建立动态系统的数学模型

10.2.1由传递函数描述的系统模型

10.2.2由状态方程描述的系统模型

10.2.3不同模型之间的相互转换

10.2.4建立复杂系统的数学模型

10.3控制系统的时域分析

10.3.1稳定性分析

10.3.2求解时域响应

10.3.3系统的稳态误差

10.4控制系统的根轨迹分析

10.4.1根轨迹的绘制

10.4.2基于根轨迹的系统设计

10.5控制系统的频域分析

10.5.1Bode图的绘制

10.5.2Nyquis!曲线的绘制

10.5.3求解幅值裕量和相位裕量

10.5.4基于频率特性的系统串联校正

10.6非线性环节的仿真

10.7状态空间分析

10.7.1矩阵指数及状态方程的解

10.7.2系统的可控性与可观测性判别

10.8习题

参考文献

　　本书根据教学大纲要求，针对高等院校电气工程与自动化专业学生的需要编写而成。本书思路清晰，语言流畅，易学易懂，除详细介绍经典控制理论外，还对现代控制理论的基本概念和基本理论及Matlab计算机辅助分析与设计作了讲解。通过本教材的学习，能使学生掌握分析和设计控制系统的基本理论和基本方法，为后续课程的进一步学习打下基础。本书可作为高等院校电气工程与自动化专业的教科书，也可作为相关专业工程技术人员的自学和培训教材。　　本书深入浅出地阐述了自动控制的基本概念和基本理论。分析了开、闭环自动控制系统的主要特点和基本要求。详细讲解了控制系统在时域、复频域中数学模型的建立及其特性、控制系统的时域分析法、根轨迹法、频率特性法、控制系统校正、非线性系统及采样控制系统。全书共分10章，除介绍经典控制理论外，还对现代控制理论的基本概念和基本理论作了讲解。书中最后介绍了计算机辅助分析与设计语言Matlab在控制系统中的应用。　　本书可作为高等院校电气工程与自动化等专业的教科书，也可作为相关专业工程技术人员的自学和培训教材。