自动控制原理

前言

第1章 绪论

1.1 引言

1.1.1 自动控制理论的发展

1.1.2 人工控制与自动控制

1.1.3 开环控制与闭环控制

1.1.4 闭环控制系统的基本组成和术语定义

1.2 自动控制系统的分类

1.2.1 线性控制系统和非线性控制系统

1.2.2 恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统

1.2.3 连续控制系统和离散控制系统

1.3 对自动控制系统的基本性能要求

1.3.1 稳定性

1.3.2 快速性

1.3.3 准确性

1.4 MATLABSimulink介绍

1.5 本章小结

思考题与习题

第2章 控制系统的数学模型

2.1 微分方程

2.1.1 系统微分方程的建立

2.1.2 建立微分方程的步骤

2.2 传递函数

2.2.1 传递函数的定义

2.2.2 传递函数的性质

2.3 典型环节的传递函数

2.3.1 比例环节

2.3.2 积分环节

2.3.3 惯性环节

2.3.4 微分环节

2.3.5 振荡环节

2.3.6 延迟环节

2.4 动态结构图的等效变换

2.4.1 动态结构图的建立

2.4.2 动态结构图的等效变换法则

2.4.3 动态结构图的等效变换举例

2.5 自动控制系统的传递函数

2.5.1 闭环控制系统的开环传递函数

2.5.2 闭环传递函数

2.6 信号流图

2.6.1 信号流图的术语和性质

2.6.2 信号流图的绘制

2.7 梅逊公式

2.7.1 梅逊公式的定义

2.7.2 应用梅逊公式求系统闭环传递函数举例

2.8 利用MATLAB建立控制系统模型

2.8.1 时间常数形式的传递函数模型表示

2.8.2 零极点形式的传递函数模型表示

2.8.3 模型的转换和连接

2.9 案例分析与设计

2.1 0本章小结

思考题与习题

第3章 时域分析法

3.1 典型输入信号和时域性能指标

3.1.1 典型输入信号

3.1.2 阶跃响应的动态性能指标

3.1.3 稳态性能指标

3.2 一阶系统的时域分析

3.2.1 单位阶跃响应

3.2.2 单位脉冲响应

3.2.3 单位斜坡响应

3.3 二阶系统的时域分析

3.3.1 典型的二阶系统

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应

3.3.3 系统的暂态性能指标

3.4 高阶系统的时域分析

3.5 系统的稳定性分析

3.5.1 系统稳定性的充分必要条件

3.5.2 劳斯-赫尔维茨稳定判据

3.5.3 代数稳定判据的应用

3.6 稳态误差计算

3.6.1 稳态误差的定义和计算

3.6.2 给定输入下的稳态误差

3.6.3 扰动输入作用下的稳态误差

3.6.4 减小稳态误差的方法

3.7 应用MATLAB求控制系统的时域响应

3.8 案例分析与设计

3.9 本章小结思考题与习题

第4章 根轨迹分析法

4.1 根轨迹的基本概念

4.1.1 根轨迹的概念

4.1.2 根轨迹方程及绘制条件

4.2 绘制根轨迹的基本规则

4.2.1 基本规则

4.2.2 绘制根轨迹举例

4.3 广义根轨迹

4.3.1 参数根轨迹

4.3.2 零度根轨迹

4.4 应用MATLAB绘制控制系统的根轨迹

4.5 案例分析与设计

4.6 本章小结

思考题与习题

第5章 频率分析法

5.1 频率特性的基本概念

5.1.1 频率响应

5.1.2 频率特性

5.1.3 频率特性与传递函数的关系

5.1.4 频率特性的表示方法

5.2 对数坐标图

5.2.1 对数坐标图的特点

5.2.2 典型环节的对数坐标图

5.2.3 开环传递函数的对数坐标图

5.2.4 系统类型与对数幅频特性曲线之间的关系

5.3 幅相频率特性图

5.3.1 典型环节的奈奎斯特图

5.3.2 开环传递函数概略奈奎斯特图的绘制

5.4 奈奎斯特稳定性判据

5.4.1 幅角原理

5.4.2 开环传递函数虚轴上无极点时的奈奎斯特稳定性判据

5.4.3 开环传递函数虚轴上存在极点时的奈奎斯特稳定性判据

5.5 系统的相对稳定性

5.5.1 增益裕量

5.5.2 相位裕度

5.6 系统的闭环频率特性

5.7 系统的频域性能指标和时域性能指标的关系

5.7.1 开环频域指标与时域指标的关系

5.7.2 闭环频域指标与时域指标的关系

5.7.3 开环对数频率特性曲线与系统时域性能指标之间的关系

5.8 应用MATLAB绘制系统的频率特性曲线

5.9 案例分析与设计

5.1 0本章小结

思考题与习题

第6章 控制系统的校正

6.1 系统校正的基本概念

6.1.1 性能指标

6.1.2 系统的校正

6.2 常用控制规律

6.2.1 P控制规律

6.2.2 PD控制规律

6.2.3 PI控制规律

6.2.4 PID控制规律

6.3 基于频率法的串联校正设计

6.3.1 串联超前校正

6.3.2 串联滞后校正

6.3.3 串联滞后-超前校正

6.4 按期望特性进行串联校正

6.5 应用MATLAB进行校正设计

6.6 案例分析与设计

6.7 本章小结

思考题与习题

第7章 离散控制系统

7.1 离散控制系统的基本概念

7.2 信号的采样与复现

7.2.1 香农采样定理

7.2.2 零阶保持器的原理

7.3 离散控制系统的数学模型

7.3.1 差分方程

7.3.2 z变换与z反变换

7.3.3 脉冲传递函数的定义

7.3.4 开环系统的脉冲传递函数

7.3.5 闭环系统的脉冲传递函数

7.4 离散系统的性能分析

7.4.1 离散系统的稳定性条件和代数判据

7.4.2 离散系统的稳态误差

7.4.3 离散系统的动态性能

7.5 应用MATLAB进行离散系统分析

7.6 案例分析与设计

7.7 本章小结

思考题与习题

第8章 现代控制理论初步

8.1 控制系统的状态空间描述

8.1.1 状态变量和状态空间方程

8.1.2 线性定常连续系统状态空间表达式的建立

8.1.3 状态空间表达式的线性变换

8.1.4 传递函数与状态方程之间的转换

8.1.5 状态图

8.2 线性定常系统状态方程的解

8.2.1 线性系统状态方程的解

8.2.2 状态转移矩阵的计算

8.3 线性定常系统的能控性和能观性

8.3.1 能控性

8.3.2 能观性

8.3.3 能控、能观标准型的线性变换

8.3.4 对偶原理

8.4 线性定常系统的极点配置

8.4.1 状态反馈

8.4.2 状态反馈极点配置定理

8.4.3 求状态反馈矩阵K的待定系数法

8.4.4 求状态反馈矩阵K的能控标准型法

8.5 状态观测器

8.5.1 全维状态观测器

8.5.2 配置极点求观测器增益矩阵的待定系数法

8.5.3 配置极点求观测器增益矩阵的能观标准型法

8.5.4 带状态观测器的状态反馈系统

8.6 李雅普诺夫稳定性分析

8.6.1 李雅普诺夫关于稳定性的定义

8.6.2 李雅普诺夫判断系统稳定性的方法

8.6.3 线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析

8.7 案例分析与设计

8.8 本章小结

思考题与习题

第9章 非线性系统分析

9.1 控制系统的非线性特性

9.1.1 典型的非线性特性

9.1.2 非线性系统的特性

9.1.3 非线性控制系统的分析研究方法

9.2 相平面法

9.2.1 相轨迹的基本概念

9.2.2 相轨迹的基本性质

9.2.3 相轨迹的绘制

9.2.4 由相平面图求时间解

9.2.5 奇点和极限环

9.2.6 非线性控制系统的相平面分析

9.3 描述函数法

9.3.1 描述函数的基本概念

9.3.2 典型非线性特性的描述函数

9.3.3 非线性控制系统的描述函数分析

9.4 案例分析与设计

9.5 本章小结

思考题与习题

附录

附录A 常见拉普拉斯变换及z变换表

附录B 控制理论中常用的中英文词组

参考文献

《普通高等教育电气信息类规划教材：自动控制原理》系统地介绍了自动控制理论的基本内容，并注重阐述基本理论、基本概念和综合分析方法。《普通高等教育电气信息类规划教材：自动控制原理》共分9章，主要内容包括：控制系统的数学模型、时域分析法、根轨迹分析法、频率分析法、控制系统的校正、离散控制系统以及现代控制理论基础的部分内容与非线性系统分析。本书重点突出，层次分明，理论联系实际。各章不仅介绍MATLAB相关应用的内容，而且有一定数量的典型例题分析。