自动控制系统（第3版）

目 录

第1章 绪论 001
1.1 引言 002
1.2 自动控制的定义和历史回顾 002
1.3 自动控制系统举例及术语定义 004
1.3.1 液位控制系统 004
1.3.2 温度控制系统 005
1.3.3 自动控制系统术语定义 005
1.4 自动控制系统的基本控制方式 006
1.4.1 开环控制 006
1.4.2 闭环控制 007
1.4.3 复合控制 007
1.5 自动控制系统的分类 008
1.6 自动控制系统的基本要求 010
1.7 自动控制系统课程的性质和内容 010
小结 011
关键术语和概念 011
拓展您的事业——电子学 012
习题1 012
第2章 控制系统的数学模型 015
2.1 引言 016
2.2 控制系统的时域数学模型 016
2.2.1 微分方程与状态变量数学模型 016
2.2.2 线性定常微分方程的解 023
2.2.3 非线性系统的线性化 023
2.2.4 运动的模态 026
2.3 控制系统的复数域数学模型 027
2.3.1 传递函数的定义和性质 027
2.3.2 传递函数的零点和极点 028
2.3.3 传递函数用于分析控制系统的性能 028
2.3.4 传递函数数学模型建立举例 030
2.4 控制系统的方框图与信号流图 032
2.4.1 控制系统的方框图 032
2.4.2 方框图的等效变换和简化 035
2.4.3 信号流图 037
2.4.4 多输入系统的传递函数 039
2.5 输入/输出数学模型与状态变量数学模型之间的关系 040
2.5.1 由输入/输出数学模型转换为状态变量数学模型 040
2.5.2 由状态变量数学模型转换为输入/输出数学模型 045
2.5.3 线性定常系统在坐标变换下的特性 045
2.6 数学模型的实验测定法 048
2.6.1 数学模型实验测定的主要方法 048
2.6.2 数学模型的工程辨识 049
2.7 MATLAB软件用于控制系统数学模型建立与仿真 049
小结 053
关键术语和概念 054
拓展您的事业——电气工程学科 054
习题 2 055
第3章 控制系统时域分析 058
3.1 引言 059
3.1.1 典型输入信号 059
3.1.2 时域性能指标 060
3.2 几种控制系统的时域分析 061
3.2.1 一阶系统的时域分析 061
3.2.2 典型二阶系统的时域分析 063
3.2.3 高阶系统的时域分析 072
3.2.4 MATLAB软件分析控制系统时域响应 074
3.3 线性定常系统的稳定性分析 078
3.3.1 稳定性的定义及线性定常系统稳定的充分必要条件 078
3.3.2 劳斯-赫尔维茨判据 081
3.3.3 劳斯-赫尔维茨判据的应用 084
3.4 控制系统的稳态误差分析 085
3.4.1 误差定义及稳态误差 085
3.4.2 稳态误差的计算 086
3.4.3 扰动作用下的稳态误差 090
3.4.4 减小或消除稳态误差的措施 093
小结 095
关键术语和概念 096
拓展您的事业——自动化学科 097
习题3 097
第4章 根轨迹技术 103
4.1 引言 104
4.1.1 根轨迹的基本概念 104
4.1.2 根轨迹方程 105
4.2 根轨迹绘制的基本法则 106
4.3 广义根轨迹 119
4.3.1 参数根轨迹 120
4.3.2 正反馈系统或非最小相位系统的根轨迹 124
4.4 时滞系统的根轨迹 126
4.5 根轨迹法在控制系统中的应用 130
小结 133
关键术语和概念 134
拓展您的事业——计算机学科 134
习题4 135
第5章 线性定常系统的频域分析法 139
5.1 引言 140
5.1.1 频率特性的基本概念与定义 140
5.1.2 频率特性的几何表示法 142
5.2 典型环节频率特性曲线的绘制 144
5.3 系统的开环频率特性 151
5.3.1 开环奈奎斯特图的绘制 151
5.3.2 开环伯德图的绘制 155
5.3.3 传递函数的频域实验确定 159
5.4 线性定常系统频域稳定判据 161
5.4.1 奈奎斯特稳定判据的数学基础 161
5.4.2 奈奎斯特稳定判据 162
5.4.3 对数频率稳定判据 169
5.5 稳定裕度 172
5.6 闭环系统的频率响应 177
5.6.1 闭环系统的频域性能指标 178
5.6.2 典型二阶系统的频域性能指标 179
5.6.3 确定闭环频率特性的图解法：尼科尔斯图法 180
5.6.4 频域性能指标和时域性能指标的转换 185
5.7 MATLAB软件在系统频域分析中的应用 188
小结 190
关键术语和概念 191
拓展您的事业——通信系统学科 192
习题5 192
第6章 控制系统的校正设计 195
6.1 引言 196
6.1.1 控制系统的分析与设计 196
6.1.2 不同校正方法的性能指标 197
6.1.3 基本校正方式 198
6.2 控制器的基本控制规律 199
6.2.1 比例控制规律 199
6.2.2 积分控制规律 200
6.2.3 比例积分控制规律 202
6.2.4 比例微分控制规律 203
6.2.5 比例积分微分控制规律 204
6.2.6 局部速度反馈控制规律 205
6.3 常用的校正装置及其特性 206
6.3.1 无源校正网络 207
6.3.2 自动化仪表中的PID控制器 209
6.4 根轨迹法在控制系统校正设计中的应用 210
6.4.1 超前串级校正 210
6.4.2 滞后串级校正 215
6.4.3 串级PID校正 217
6.4.4 局部反馈校正 218
6.5 伯德图频域法在控制系统校正设计中的应用 226
6.5.1 超前串级校正 226
6.5.2 滞后串级校正 230
6.5.3 滞后超前校正 233
6.5.4 串级校正的预期开环频率特性设计 235
6.6 工业过程控制中PID控制器参数的工程整定 240
6.6.1 飞升曲线法 241
6.6.2 临界比例度法 242
6.7 复合校正控制系统设计 244
6.7.1 按扰动补偿的复合控制 244
6.7.2 按输入补偿的复合控制 245
6.8 实用的PID控制器结构与健壮控制问题 247
6.8.1 理想的PID控制器 247
6.8.2 实用的PID控制器 248
6.8.3 二自由度比例积分微分控制问题 249
6.8.4 健壮控制系统的设计 251
6.9 MATLAB软件在控制系统设计中的应用 261
6.9.1 用MATLAB软件与频域法设计控制系统 261
6.9.2 用MATLAB软件与根轨迹法设计控制系统 263
小结 268
关键术语和概念 268
拓展您的事业——电子仪器学科 269
习题6 269
第7章 状态变量系统分析与设计 273
7.1 引言 274
7.2 线性定常系统的时域响应 274
7.2.1 线性定常系统齐次状态方程的解与状态转移矩阵 274
7.2.2 状态转移矩阵的性质和意义 276
7.2.3 线性定常系统非齐次状态方程的解 277
7.3 连续系统的李雅普诺夫稳定性分析 281
7.3.1 李雅普诺夫稳定性概念 281
7.3.2 李雅普诺夫稳定性理论 283
7.3.3 线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析 289
7.3.4 非线性系统的李雅普诺夫稳定性分析——克拉索夫斯基法 290
7.3.5 李雅普诺夫第二法的其他应用 293
7.4 控制系统的可控性和可观测性 296
7.4.1 可控性和可观测性的定义 297
7.4.2 线性定常系统的可控性判据 298
7.4.3 线性定常连续系统的可观测性判据 303
7.4.4 线性系统可控性与可观测性的对偶关系 305
7.4.5 控制系统的结构分解 305
7.5 线性定常系统的极点配置设计 312
7.5.1 状态反馈和输出反馈的概念 312
7.5.2 状态变量闭环控制系统的极点配置设计 314
7.5.3 基于状态观测器的控制系统设计 329
小结 335
关键术语和概念 335
拓展您的事业——科学研究与信息工程教育事业 336
习题 7 337
第8章 数字控制系统 340
8.1 引言 341
8.1.1 采样控制过程 341
8.1.2 数字控制系统的组成 343
8.2 信号的采样与保持 343
8.2.1 采样过程 343
8.2.2 采样过程的数学描述 344
8.2.3 香农采样定理 346
8.2.4 采样周期的选取 346
8.2.5 信号保持 347
8.3 Z变换理论 349
8.3.1 Z变换的定义 349
8.3.2 Z变换的方法 349
8.3.3 Z变换的基本定理 352
8.3.4 Z反变换 354
8.4 离散系统的数学模型 356
8.4.1 线性定常离散系统差分方程及其解法 356
8.4.2 脉冲传递函数 358
8.4.3 开环系统脉冲传递函数 359
8.4.4 闭环系统脉冲传递函数 361
8.5 线性定常离散系统的稳定性 363
8.5.1 线性定常离散系统稳定的充要条件 363
8.5.2 线性定常离散系统的稳定性判据 365
8.6 离散系统的稳态误差 366
8.7 离散系统的动态性能分析 367
8.8 数字控制器的设计 370
8.8.1 模拟化设计方法 370
8.8.2 数字化设计方法 371
8.9 MATLAB在数字控制系统中的应用 374
8.9.1 用MATLAB软件实现Z变换和Z反变换 374
8.9.2 连续系统模型与离散系统模型的转换 377
8.9.3 基于MATLAB软件的线性定常数字控制系统的稳定性分析 378
8.9.4 基于MATLAB软件的数字控制系统的时域分析 380
小结 385
关键术语和概念 386
拓展您的事业——软件工程学科 386
习题8 387
第9章 自动控制系统设计实例 390
9.1 引言 391
9.2 温度控制器的设计与实现 391
9.2.1 温度控制系统分析 391
9.2.2 温度控制系统硬件设计 395
9.2.3 温度控制系统性能测试 398
9.3 倒立摆控制系统设计与实现 401
9.3.1 倒立摆控制系统数学模型的建立 402
9.3.2 倒立摆控制系统硬件设计 405
9.3.3 倒立摆控制系统算法仿真 409
9.3.4 倒立摆控制系统实现 418
小结 420
关键术语和概念 420
拓展您的事业——航空航天技术 421
附录A 拉普拉斯变换 422
附录B 李雅普诺夫主稳定性定理的证明 431
附录C 常用Z变换表 434
参考文献 435