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第一章 自动控制的基本概念1

1.1 概述1

1.2 控制系统工作原理1

1.3 自动控制系统的类型4

1.3.1 开环控制系统和闭环控制系统4

1.3.2 定值调节系统、随动系统、程序控制系统5

1.3.3 连续控制系统和离散控制系统8

1.3.4 线性控制系统和非线性控制系统9

1.3.5 单变量控制系统和多变量控制系统9

1.3.6 集中参数系统和分布参数系统10

1.3.7 确定性系统和不确定性系统10

习题11

第二章 线性控制系统的数学模型13

2.1 一阶对象或环节的动态特性13

2.1.1 对象或环节微分方程式的列写方法14

2.1.2 非线性特性的线性化及增量方程式15

2.1.3 一阶对象或环节微分方程式的列写示例19

2.1.4 一阶对象或环节的特性23

2.1.5 无量纲化运动方程式24

2.2 二阶对象或环节的动态特性25

2.2.1 二阶对象或环节微分方程式的列写方法25

2.2.2 二阶对象或环节的特性27

2.3 纯滞后环节29

2.4 其他特性31

2.4.2 积分特性32

2.4.1 比例特性32

2.4.3 高阶特性33

2.5 典型化工对象(或环节)数学模型的建立34

2.5.1 连续搅拌槽式(CSTR)反应器35

2.5.2 带套管热电偶37

2.5.3 气动薄膜调节阀38

2.6 拉普拉斯变换和传递函数39

2.6.1 拉氏变换39

2.6.2 传递函数49

2.7 方块图53

2.7.1 方块图的基本符号和联接53

2.7.2 方块图的变换和简化56

2.7.3 利用方块图推演对象动态特性示例61

2.8.1 信号流图常用术语62

2.8 信号流图62

2.8.2 方块图及相应的信号流图64

2.8.3 梅逊增益公式65

习题68

第三章 控制系统的时域分析法70

3.1 典型输入信号70

3.1.1 阶跃函数71

3.1.2 脉冲函数71

3.1.3 斜坡函数72

3.1.4 正弦函数72

3.2 控制系统的瞬态响应72

3.2.1 一阶系统的瞬态响应72

3.2.2 二阶系统的瞬态响应74

3.2.4 三阶系统的单位阶跃响应79

3.2.3 二阶系统的单位脉冲响应79

3.2.5 高阶系统瞬态响应近似分析80

3.2.6 主导极点81

3.2.7 系统稳定的基本条件82

3.3 劳斯稳定判据82

3.3.1 系统稳定性的初步判别83

3.3.2 劳斯判据83

3.3.3 劳斯判据的特殊情况86

3.3.4 劳斯判据的应用88

3.4 控制系统的稳态误差90

3.4.1 稳态误差和误差传递函数90

3.4.3 给定输入(参考输入)下的稳态误差92

3.4.2 控制系统的结构类型92

3.4.4 扰动输入下的稳态误差94

3.5 控制系统瞬态响应性能指标95

3.5.1 瞬态响应性能指标95

3.5.2 二阶系统瞬态响应性能指标97

3.5.3 瞬态响应性能指标在s平面上的表示101

3.5.4 误差性能指标103

5.6 常规调节规律及其对系统控制性能的影响103

3.6.1 常规调节器的调节规律104

3.6.2 调节器参数对控制过程的影响107

习题110

第四章 控制系统根轨迹分析法111

4.1 根轨迹法的基本概念111

4.2.1 绘制根轨迹的相角条件和幅值条件113

4.2 绘制根轨迹图的基本条件和基本规则113

4.2.2 绘制根轨迹的基本规则115

4.3 根轨迹绘制方法举例125

4.4 系统具有纯滞后环节时的根轨迹133

4.4.1 绘制纯滞后系统根轨迹的基本条件133

4.4.2 纯滞后系统根轨迹的绘制方法134

4.4.3 纯滞后系统根轨迹绘制示例135

4.4.4 纯滞后环节的近似表示139

4.5 根轨迹法在控制系统分析和设计中的应用141

4.5.1 增加开环零点对控制系统的影响--比例微分调节141

4.5.2 增加开环极点对控制系统的影响146

4.5.3 比例积分调节147

4.5.4 控制系统的根轨迹校正方法150

习题159

第五章 控制系统频率特性分析法161

5.1 频率特性及其与传递函数的关系161

5.1.1 频率特性的基本概念161

5.1.2 频率特性与传递函数的关系163

5.2 频率特性的图示方法165

5.2.1 幅相频率特性(奈魁斯特图)165

5.2.2 对数频率特性(伯德图)177

5.2.3 对数幅相频率特性(尼柯尔斯图)196

5.3 奈魁斯特稳定判据197

5.3.1 映射定理198

5.3.2 奈魁斯特稳定判据201

5.3.3 开环极点与零点位于jω轴上时的奈魁斯特判据206

5.3.4 纯滞后系统的稳定性211

5.4 控制系统的稳定裕量212

5.3.5 多回路系统的稳定性分析212

5.4.1 增益裕量和相角裕量213

5.4.2 相角裕量与过渡过程性能指标的关系216

5.4.3 调节器调节规律对稳定裕量的影响220

5.5 闭环频率特性224

5.5.1 由开环频率特性求取闭环频率特性224

5.5.2 闭环频率特性与时域性能指标的关系231

5.6 频率法在校正装置设计中的应用234

5.6.1 串联超前(微分)校正234

5.6.2 串联滞后(积分)校正237

5.7 计算机辅助频域与时域分析242

5.7.1 控制系统根轨迹图的绘制242

5.7.2 控制系统伯德图的绘制244

5.7.3 控制系统奈魁斯特图的绘制245

习题245

第六章 控制系统的状态空间分析法247

6.1 引言247

6.1.1 状态空间分析法的提出247

6.1.2 状态空间分析法的基本概念248

6.2 动态系统的状态空间描述250

6.2.1 状态空间表达式250

6.2.2 由系统的物理、化学机理建立状态空间表达式255

6.2.3 由系统的输入输出关系建立状态空间表达式260

6.2.4 由系统方块图导出状态空间表达式273

6.2.5 状态空间表达式的线性变换与规范化274

6.3.1 线性定常系统齐次状态方程的解282

6.3 动态系统的状态空间分析282

6.3.2 状态转移矩阵284

6.3.3 线性定常系统非齐次状态方程的解287

习题290

第七章 控制系统的结构特性292

7.1 李雅普诺夫稳定性分析292

7.1.1 李雅普诺夫稳定性292

7.1.2 李雅普诺夫第二方法295

7.1.3 线性定常连续系统的李雅普诺夫稳定性分析302

7.2 线性系统的能控性和能观性305

7.2.1 能控性与能观性概念的提出305

7.2.2 线性定常连续系统能控性定义及其判据306

7.2.3 线性定常连续系统能观性定义及其判据315

7.2.4 能控性与能观性的对偶原理322

7.2.5 能控性、能观性和传递函数(阵)的关系324

习题328

第八章 离散控制系统330

8.1 引言330

8.1.1 连续信号与离散信号330

8.1.2 离散系统的基本类型--采样系统和数字系统330

8.1.3 离散系统的研究方法331

8.2 离散系统的信号转换特性333

8.2.1 信号的采样--采样过程及其数学描述333

8.2.2 信号复现--采样定理和保持器335

8.3 z变换及改进z变换341

8.3.1 z变换的定义341

8.3.2 z变换的求法342

8.3.3 z变换的基本原理344

8.3.4 z反变换352

8.3.5 改进z变换355

8.4 离散系统的经典数学描述358

8.4.1 差分方程与微分方程的差分化358

8.4.2 脉冲传递函数362

8.5 离散系统的经典分析法375

8.5.1 离散系统的过渡过程分析376

8.5.2 离散系统的稳定性分析383

8.5.3 离散系统的根轨迹分析391

8.5.4 数学调节器的设计399

8.6 离散系统的状态空间分析法406

8.6.1 离散系统状态空间表达式407

8.6.2 线性定常离散系统状态方程的求解415

8.7 离散系统的结构特性418

8.7.1 线性定常离散系统的李雅普诺夫稳定性分析418

8.7.2 线性定常离散系统的能控性和能观性420

习题425

第九章 非线性控制系统428

9.1 引言428

9.1.1 线性系统与非线性系统428

9.1.2 典型的非线性特性428

9.1.3 非线性控制系统的特殊现象430

9.1.4 非线性控制系统的研究方法431

9.2 描述函数法432

9.2.1 描述函数法的基本思路432

9.2.2 非线性特性的描述函数434

9.2.3 非线性系统的描述函数分析440

9.3 相平面法450

9.3.1 相平面法的基本概念450

9.3.2 相平面图的特性451

9.3.3 相平面图的绘制461

10.2 状态观测器的设计467

9.3.4 非线性系统的相平面分析468

9.3.5 由相平面图求系统的时间响应478

9.4 非线性系统的李雅普诺夫稳定性分析480

9.4.1 克拉索夫斯基法480

9.4.2 变量梯度法482

习题486

10.1.1 状态反馈和输出反馈的构成特点488

10.1 线性系统的状态反馈控制488

第十章 控制系统的状态空间设计法488

10.1.2 状态反馈系统和输出反馈系统的能控性和能观性490

10.1.3 状态反馈系统的极点配置法491

10.2.1 状态观测器的提出497

10.2.2 状态观测器的构造498

10.2.3 状态观测器的极点配置法499

10.2.4 带状态观测器的状态反馈系统设计501

10.3 解耦器的设计505

10.3.1 系统解耦控制问题505

10.3.2 前馈补偿器解耦506

10.3.3 状态反馈解耦507

习题511

参考文献512