第1章 自動控制基礎(chǔ)概論 1 1.1 引言 1 1.1.1 自動控制技術(shù)及應(yīng)用 1 1.1.2 自動控制理論的發(fā)展 1 1.2 自動控制系統(tǒng)的工作原理 2 1.2.1 自動控制的基本概念 2 1.2.2 自動控制系統(tǒng)的基本組成 4 1.2.3 自動控制系統(tǒng)的基本工作方式 4 1.3 自動控制理論在工程中的應(yīng)用 7 1.3.1 自動控制理論在機(jī)械自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用 7 1.3.2 自動控制理論在熱工系統(tǒng)中的應(yīng)用 8 1.3.3 自動控制理論在工業(yè)自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用 9 1.3.4 自動控制理論在其他系統(tǒng)中的應(yīng)用 9 1.4 自動控制系統(tǒng)的工作方式 10 1.4.1 對自動控制系統(tǒng)的基本要求 10 1.4.2 常用控制系統(tǒng)的典型輸入信號 11 1.4.3 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟 13 1.5 自動控制系統(tǒng)的類型 14 1.5.1 按信號傳遞特點(diǎn)或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類 14 1.5.2 按給定信號特點(diǎn)分類 14 1.5.3 按數(shù)學(xué)描述分類 16 1.5.4 按時間信號的性質(zhì)分類 16 1.5.5 按系統(tǒng)參數(shù)是否變化分類 16 1.6 本章小結(jié) 17 習(xí)題 17 第2章 控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 19 2.1 基本環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型 19 2.1.1 引言 19 2.1.2 模型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 19 2.2 控制系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型 30 2.2.1 微分方程的建立 31 2.2.2 非線性特性的線性化 33 2.2.3 微分方程的求解 34 2.3 控制系統(tǒng)的復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型 35 2.3.1 傳遞函數(shù) 35 2.3.2 典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 40 2.4 控制系統(tǒng)分析設(shè)計的常用模型 43 2.4.1 結(jié)構(gòu)圖的基本概念 43 2.4.2 結(jié)構(gòu)圖的建立 44 2.4.3 結(jié)構(gòu)圖的等效變換 46 2.5 閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 52 2.5.1 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) 52 2.5.2 閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 52 2.6 脈沖響應(yīng)函數(shù) 54 2.6.1 脈沖響應(yīng)函數(shù)的基本概念 54 2.6.2 脈沖響應(yīng)函數(shù)的應(yīng)用 55 2.7 線性控制系統(tǒng)模型的MATLAB實(shí)現(xiàn) 57 2.7.1 控制系統(tǒng)模型描述 57 2.7.2 模型轉(zhuǎn)換 58 2.8 本章小結(jié) 59 習(xí)題 60 第3章 控制系統(tǒng)的時域瞬態(tài)響應(yīng)分析 65 3.1 控制系統(tǒng)的時域性能指標(biāo) 65 3.1.1 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) 66 3.1.2 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo) 66 3.2 一階系統(tǒng)的時域響應(yīng) 67 3.2.1 一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 67 3.2.2 一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 68 3.2.3 一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng) 69 3.2.4 一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng) 70 3.3 二階系統(tǒng)的時域響應(yīng) 71 3.3.1 二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 71 3.3.2 二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 71 3.3.3 二階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng) 81 3.3.4 二階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng) 83 3.3.5 二階系統(tǒng)的性能分析與改善 85 3.4 高階系統(tǒng)的時域響應(yīng) 90 3.4.1 高階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及降階 90 3.4.2 典型三階系統(tǒng)的階躍響應(yīng) 91 3.4.3 高階系統(tǒng)的時域響應(yīng) 92 3.5 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 95 3.5.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念 96 3.5.2 系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件 96 3.5.3 代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù) 97 3.5.4 穩(wěn)定性判據(jù)的應(yīng)用 103 3.6 線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析 111 3.6.1 誤差與穩(wěn)態(tài)誤差的定義 111 3.6.2 穩(wěn)態(tài)誤差及靜態(tài)誤差系數(shù) 113 3.6.3 動態(tài)誤差系數(shù)的應(yīng)用 117 3.6.4 提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的措施 119 3.7 控制系統(tǒng)響應(yīng)的MATLAB分析 122 3.7.1 單位階躍響應(yīng) 122 3.7.2 單位脈沖響應(yīng) 124 3.7.3 斜坡函數(shù)作用下系統(tǒng)的響應(yīng) 126 3.7.4 任意函數(shù)作用下系統(tǒng)的響應(yīng) 126 3.7.5 判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性 127 3.7.6 Simulink建模與仿真 128 3.8 本章小結(jié) 128 習(xí)題 129 第4章 線性系統(tǒng)的根軌跡法 133 4.1 根軌跡法的基本概念 133 4.1.1 根軌跡的概念 133 4.1.2 根軌跡與系統(tǒng)性能 134 4.1.3 閉環(huán)零、極點(diǎn)與開環(huán)零、極點(diǎn)之間的關(guān)系 135 4.1.4 根軌跡方程 136 4.2 根軌跡繪制的基本法則 137 4.3 廣義根軌跡的繪制 150 4.3.1 參數(shù)根軌跡 150 4.3.2 零度根軌跡 155 4.4 根軌跡圖繪制舉例 157 4.5 線性系統(tǒng)的根軌跡分析 162 4.5.1 主導(dǎo)極點(diǎn)與偶極子 162 4.5.2 主導(dǎo)極點(diǎn)法 163 4.5.3 系統(tǒng)閉環(huán)零、極點(diǎn)的分布與性能指標(biāo) 163 4.5.4 增加開環(huán)零、極點(diǎn)對根軌跡的影響 164 4.6 線性系統(tǒng)根軌跡的MATLAB繪制分析 168 4.6.1 繪制根軌跡圖 168 4.6.2 根軌跡上特殊的點(diǎn) 169 4.6.3 K值確定下系統(tǒng)的穩(wěn)定性 171 4.7 本章小結(jié) 173 習(xí)題 173 第5章 控制系統(tǒng)的頻率特性 176 5.1 頻率特性的基本概念 176 5.1.1 頻率特性的定義 176 5.1.2 頻率特性與傳遞函數(shù) 178 5.1.3 正弦輸入信號下的穩(wěn)態(tài)誤差 180 5.1.4 頻率特性的幾何表示及繪制 180 5.2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性 183 5.2.1 典型環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型 184 5.2.2 奈氏圖（極坐標(biāo)） 185 5.2.3 伯德圖（對數(shù)坐標(biāo)） 193 5.2.4 最小相位系統(tǒng) 204 5.2.5 由單位脈沖響應(yīng)求系統(tǒng)的頻率特性 206 5.2.6 對數(shù)幅相頻率特性 206 5.3 頻率域穩(wěn)定性判據(jù) 207 5.3.1 數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 208 5.3.2 奈氏判據(jù) 209 5.3.3 奈氏判據(jù)在開環(huán)傳遞函數(shù)中有積分環(huán)節(jié)時的應(yīng)用 211 5.3.4 對數(shù)穩(wěn)定性判據(jù) 216 5.4 頻域穩(wěn)定裕度 217 5.4.1 相角裕度 218 5.4.2 幅值裕度 218 5.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 221 5.5.1 控制系統(tǒng)的頻帶寬度 221 5.5.2 閉環(huán)頻率特性及特征量 223 5.5.3 頻率域性能指標(biāo)與時域性能指標(biāo) 224 5.5.4 開環(huán)對數(shù)頻率特性與時域響應(yīng)關(guān)系 229 5.6 機(jī)械系統(tǒng)動剛度的概念 233 5.7 線性系統(tǒng)頻域的MATLAB分析 235 5.7.1 正弦信號作用下的輸出信號 235 5.7.2 頻率響應(yīng)的計算方法 235 5.7.3 頻率響應(yīng)曲線的繪制 236 5.8 本章小結(jié) 240 習(xí)題 241 第6章 控制系統(tǒng)的綜合與校正 246 6.1 系統(tǒng)校正的基本概念 246 6.1.1 系統(tǒng)的性能指標(biāo) 246 6.1.2 系統(tǒng)的校正方式 247 6.1.3 基本控制規(guī)律 248 6.2 常用校正裝置及其特性 250 6.2.1 超前校正裝置 250 6.2.2 滯后校正裝置 252 6.2.3 滯后超前校正 254 6.3 頻率法校正 255 6.3.1 串聯(lián)超前校正 255 6.3.2 串聯(lián)滯后校正 258 6.3.3 串聯(lián)滯后超前校正 261 6.3.4 綜合法校正（期望值校正） 263 6.4 頻率法反饋校正 265 6.4.1 反饋校正對系統(tǒng)特性的影響 265 6.4.2 綜合法反饋校正 266 6.5 確定PID參數(shù)的其他方法 269 6.6 系統(tǒng)綜合校正中的MATLAB應(yīng)用 271 6.6.1 超前校正 271 6.6.2 滯后校正 273 6.6.3 PID校正 275 6.7 本章小結(jié) 277 習(xí)題 278 第7章 離散系統(tǒng)與計算機(jī)控制系統(tǒng) 282 7.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)概述 282 7.1.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成 283 7.1.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部信號流的處理 284 7.2 信號采樣與保持 285 7.2.1 采樣過程的數(shù)學(xué)描述 285 7.2.2 采樣定理 287 7.2.3 信號保持器的特性 289 7.3 z變換理論 290 7.3.1 z變換的定義 290 7.3.2 z變換的求取 291 7.3.3 z變換的基本性質(zhì) 294 7.3.4 z反變換 295 7.3.5 z變換的應(yīng)用 299 7.4 離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 301 7.4.1 線性定常系統(tǒng)的差分方程 302 7.4.2 脈沖傳遞函數(shù) 305 7.5 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差分析 313 7.5.1 離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件 313 7.5.2 勞斯穩(wěn)定判據(jù) 315 7.5.3 朱利穩(wěn)定判據(jù) 316 7.5.4 離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析 319 7.6 離散系統(tǒng)的動態(tài)特性分析 322 7.6.1 根與脈沖響應(yīng)的關(guān)系 323 7.6.2 離散控制系統(tǒng)的時間響應(yīng)及性能指標(biāo) 324 7.6.3 閉環(huán)極點(diǎn)的分布與動態(tài)性能的關(guān)系 326 7.7 離散控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計 329 7.7.1 離散系統(tǒng)的校正方式 329 7.7.2 數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù) 329 7.7.3 最少拍系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng) 330 7.8 計算機(jī)控制系統(tǒng)的模擬化設(shè)計方法 334 7.8.1 差分變換法 335 7.8.2 數(shù)字PID控制器的設(shè)計 336 7.9 MATLAB在計算機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 340 7.9.1 離散系統(tǒng)的表示 340 7.9.2 綜合應(yīng)用 341 7.10 本章小結(jié) 344 習(xí)題 344 第8章 非線性控制系統(tǒng)分析 348 8.1 概述 348 8.1.1 典型的非線性類型 348 8.1.2 分析非線性系統(tǒng)的方法 349 8.2 描述函數(shù)法 350 8.2.1 描述函數(shù)法的定義 350 8.2.2 飽和 351 8.2.3 繼電特性 353 8.2.4 死區(qū) 355 8.2.5 非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 356 8.3 相軌跡法 360 8.3.1 基本概念 360 8.3.2 相軌跡的作圖法 361 8.3.3 相平面分析 364 8.4 本章小結(jié) 367 習(xí)題 367 第9章 線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析 369 9.1 線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述 369 9.1.1 狀態(tài)空間的基本概念 369 9.1.2 狀態(tài)空間表達(dá)式的建立及示例 371 9.2 線性定常連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程的解 386 9.2.1 線性定常系統(tǒng)齊次狀態(tài)方程的解 386 9.2.2 線性定常連續(xù)系統(tǒng)非齊次狀態(tài)方程的解 389 9.3 線性系統(tǒng)的可控可觀測性 391 9.3.1 線性定常系統(tǒng)的可控性 392 9.3.2 線性定常系統(tǒng)的輸出可控性 396 9.3.3 線性定常系統(tǒng)的可觀測性 397 9.4 線性系統(tǒng)的反饋結(jié)構(gòu)及狀態(tài)觀測器 400 9.4.1 線性定常系統(tǒng)的常用反饋結(jié)構(gòu) 400 9.4.2 反饋結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)可控性和可觀測性的影響 402 9.4.3 系統(tǒng)的極點(diǎn)配置 402 9.4.4 全維狀態(tài)觀測器及其設(shè)計 406 9.4.5 分離特性 411 9.5 本章小結(jié) 412 習(xí)題 412 附錄 部分函數(shù)的z變換、拉氏變換表 415 參考文獻(xiàn) 416