自动控制原理

第1章 绪论 （1）

1.1 自动控制的基本概念 （1）

1.2 自动控制系统的组成 （3）

1.3 自动控制系统的基本控制方式 （4）

1.4 自动控制系统的分类 （5）

1.5 自动控制系统的基本要求 （7）

1.6 自动控制理论的产生及其发展 （8）

小结 （12）

习题 （13）

第2章 控制系统的数学模型 （14）

2.1 微分方程 （14）

2.1.1 微分方程的建立 （15）

2.1.2 微分方程的增量表示 （20）

2.1.3 非线性微分方程的线性化 （21）

2.2 传递函数 （23）

2.2.1 传递函数的定义 （23）

2.2.2 传递函数的常用形式 （26）

2.2.3 传递函数的特点 （28）

2.2.4 典型环节的传递函数 （28）

2.3 结构图 （32）

2.3.1 结构图的概念 （32）

2.3.2 结构图的简化 （33）

2.4 信号流图 （40）

2.4.1 信号流图的概念 （41）

2.4.2 信号流图的绘制 （42）

2.4.3 梅逊增益公式 （43）

2.5 利用MATLAB描述和求解系统数学模型 （45）

2.5.1 利用MATLAB描述系统数学模型 （45）

2.5.2 利用MATLAB实现数学模型间的转换 （46）

2.5.3 利用MATLAB化简系统数学模型 （46）

小结 （48）

习题 （48）

第3章 线性控制系统的时域分析法 （51）

3.1 时域分析的基础知识 （51）

3.1.1 典型输入信号 （51）

3.1.2 系统时域响应的形式 （53）

3.1.3 系统时域响应的性能指标 （54）

3.2 系统的稳定性 （56）

3.2.1 稳定性的基本概念 （56）

3.2.2 线性控制系统稳定的条件 （57）

3.2.3 代数稳定判据 （59）

3.2.4 系统参数对稳定性的影晌 （62）

3.2.5 相对稳定性和稳定裕量 （63）

3.3 系统的时域响应 （63）

3.3.1 一阶系统的时域响应 （63）

3.3.2 二阶系统的时域响应 （65）

3.3.3 高阶系统的时域响应 （73）

3.4 系统的稳态误差 （76）

3.4.1 稳态误差的定义 （76）

3.4.2 静态误差系数法 （77）

3.4.3 动态误差系数法 （79）

3.4.4 给定信号和扰动信号同时作用下的稳态误差 （81）

3.5 基于MATLAB的控制系统时域分析 （83）

3.5.1 利用MATLAB分析系统的稳定性 （83）

3.5.2 利用MATLAB分析系统的动态特性 （83）

3.5.3 利用MATLAB计算系统的稳态误差 （86）

小结 （87）

习题 （87）

第4章 线性控制系统的根轨迹分析法 （91）

4.1 根轨迹分析的基础知识 （91）

4.1.1 根轨迹的基本概念 （91）

4.1.2 根轨迹的基本条件 （93）

4.2 常规根轨迹的绘制 （94）

4.2.1 负反馈系统的根轨迹 （94）

4.2.2 正反馈系统的根轨迹 （104）

4.2.3 180°等相角根轨迹和0°等相角根轨迹 （106）

4.3 参数根轨迹的绘制 （106）

4.3.1 单参数根轨迹 （107）

4.3.2 多参数根轨迹 （108）

4.4 纯迟延根轨迹的绘制 （110）

4.5 利用根轨迹分析控制系统 （113）

4.5.1 利用根轨迹定性分析系统 （114）

4.5.2 利用根轨迹定量分析系统 （115）

4.6 利用MATLAB进行根轨迹分析 （118）

4.6.1 绘制系统根轨迹和获得根轨迹增益 （118）

4.6.2 绘制阻尼系数和自然频率的栅格线 （120）

小结 （121）

习题 （121）

第5章 线性控制系统的频域分析法 （125）

5.1 频域分析的基础知识 （125）

5.1.1 频率特性的基本概念 （125）

5.1.2 频率特性的表示方法 （127）

5.2 典型环节的频率特性 （129）

5.2.1 比例环节 （129）

5.2.2 积分环节 （130）

5.2.3 微分环节 （130）

5.2.4 一阶惯性环节 （131）

5.2.5 一阶比例微分环节 （133）

5.2.6 二阶振荡环节 （133）

5.2.7 纯滞后环节 （135）

5.3 系统的开环频率特性 （136）

5.3.1 开环频率特性的极坐标图（Nyquist图） （136）

5.3.2 开环频率特性的对数坐标图（Bode图） （139）

5.3.3 开环频率特性的对数幅相图（Nichols图） （142）

5.3.4 最小相位系统 （143）

5.4 奈奎斯特稳定判据 （146）

5.4.1 基本原理 （146）

5.4.2 奈奎斯特路径及其映射 （148）

5.4.3 奈奎斯特稳定判据 （149）

5.4.4 奈奎斯特稳定判据的推广 （153）

5.5 控制系统的稳定裕量 （155）

5.5.1 稳定裕量在极坐标图中的表示 （155）

5.5.2 稳定裕量在对数坐标图中的表示 （156）

5.5.3 稳定裕量在对数幅相图中的表示 （157）

5.6 系统的闭环频率特性 （158）

5.6.1 等M圆（等幅值轨迹）和等N圆（等相角轨迹） （158）

5.6.2 利用等M圆和等N圆求系统的闭环频率特性 （160）

5.6.3 利用Nichols图求系统的闭环频率特性 （162）

5.7 利用频率特性对闭环系统进行分析 （163）

5.7.1 系统频域特性与稳态性能的关系 （163）

5.7.2 系统频域特性与时域性能的关系 （164）

5.8 基于MATLAB的控制系统频域分析 （167）

5.8.1 利用MATLAB绘制Bode图 （167）

5.8.2 利用MATLAB绘制Nyquist图 （168）

5.8.3 利用MATLAB绘制Nichols图 （168）

5.8.4 利用MATLAB计算系统的相角裕量和幅值裕量 （169）

5.8.5 利用MATLAB绘制系统的闭环频率特性曲线 （170）

小结 （171）

习题 （172）

第6章 线性控制系统的校正方法 （176）

6.1 线性控制系统的基础知识 （176）

6.1.1 性能指标 （176）

6.1.2 校正方式 （177）

6.2 校正装置及其特性 （177）

6.2.1 PID控制器 （178）

6.2.2 超前校正装置 （178）

6.2.3 滞后校正装置 （180）

6.2.4 滞后-超前校正装置 （182）

6.3 频率法串联校正 （184）

6.3.1 频率法的串联超前校正 （184）

6.3.2 频率法的串联滞后校正 （186）

6.3.3 频率法的串联滞后-超前校正 （189）

6.4 根轨迹法串联校正 （191）

6.4.1 根轨迹法的串联超前校正 （192）

6.4.2 根轨迹法的串联滞后校正 （195）

6.4.3 根轨迹法的串联滞后-超前校正 （198）

6.5 反馈校正 （201）

6.5.1 反馈校正的原理 （201）

6.5.2 反馈校正的设计 （202）

6.6 复合校正 （203）

6.6.1 按输入补偿的复合校正 （203）

6.6.2 按扰动补偿的复合校正 （205）

6.7 基于MATLAB的控制系统校正 （205）

6.7.1 利用MATLAB实现频率法的串联超前校正 （206）

6.7.2 利用MATLAB实现频率法的串联滞后校正 （207）

6.7.3 利用MATLAB实现频率法的串联滞后-超前校正 （209）

小结 （210）

习题 （211）

第7章 非线性控制系统的分析 （213）

7.1 非线性控制系统的基础知识 （213）

7.1.1 非线性系统的特点 （213）

7.1.2 常见的非线性特性 （215）

7.1.3 非线性系统的分析方法 （217）

7.2 相平面分析法 （217）

7.2.1 相平面概述 （217）

7.2.2 相轨迹图的绘制 （223）

7.2.3 由相轨迹图求系统的暂态响应 （227）

7.2.4 控制系统的相平面分析 （228）

7.3 描述函数分析法 （234）

7.3.1 描述函数概述 （235）

7.3.2 典型非线性环节的描述函数 （236）

7.3.3 非线性系统的描述函数法分析 （239）

7.3.4 非线性系统的简化 （245）

7.4 基于MATLAB的非线性系统分析 （246）

7.4.1 利用MATLAB求解非线性系统的线性化模型 （246）

7.4.2 基于MATLAB的相平面法分析非线性系统 （248）

7.4.3 基于MATLAB的描述函数法分析非线性系统 （251）

小结 （252）

习题 （253）

第8章 线性离散控制系统的分析与设计 （256）

8.1 线性离散控制系统的基础知识 （256）

8.1.1 信号的采样 （257）

8.1.2 信号的保持 （260）

8.2 z变换及其反变换 （262）

8.2.1 z变换定义 （262）

8.2.2 z变换方法 （263）

8.2.3 z变换的基本定理 （264）

8.2.4 z反变换 （267）

8.3 离散系统的数学模型 （268）

8.3.1 差分方程 （268）

8.3.2 脉冲传递函数 （270）

8.4 离散控制系统的稳定性分析 （275）

8.4.1 离散控制系统稳定的条件 （275）

8.4.2 代数稳定判据 （276）

8.5 离散控制系统的稳态误差 （278）

8.5.1 典型输入信号下的稳态误差 （278）

8.5.2 扰动信号作用下的稳态误差 （280）

8.6 离散控制系统的动态性能 （280）

8.6.1 离散系统的输出响应 （281）

8.6.2 闭环零点、极点分布对瞬态响应的影响 （281）

8.6.3 离散系统的根轨迹分析 （284）

8.7 离散控制系统的校正 （285）

8.7.1 采用Bode图的方法 （285）

8.7.2 最少拍控制系统的校正 （287）

8.8 基于MATLAB的离散控制系统的分析与设计 （289）

8.8.1 利用MATLAB实现z变换 （289）

8.8.2 利用MATLAB实现连续系统的离散化 （290）

8.8.3 利用MATLAB分析离散控制系统的稳定性 （290）

8.8.4 利用MATLAB计算离散系统的稳态误差 （291）

8.8.5 利用MATLAB分析离散系统的动态特性 （291）

小结 （293）

习题 （293）

附录A 拉普拉斯变换 （295）

附录B 习题参考答案 （300）

参考文献 （307）