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第1章 控制系统的基本概念1

1.1 控制系统的工作原理及其组成1

1.1.1 工作原理1

1.1.2 开环控制和闭环控制3

1.1.3 闭环控制系统的组成3

1.2 控制系统的基本类型5

1.2.1 按输入量的特征分类5

1.2.2 按系统中传递信号的性质分类6

1.3 对控制系统的基本要求7

1.4 控制工程发展概况7

习题8

第2章 数学模型10

2.1 控制系统的运动微分方程10

2.1.1 建立数学模型的一般步骤10

2.1.2 控制系统微分方程的列写10

2.2 拉氏变换和反变换15

2.2.1 拉氏变换的定义15

2.2.2 几种典型函数的拉氏变换15

2.2.3 拉氏变换的主要定理18

2.2.4 拉氏反变换21

2.2.5 应用拉氏变换解线性微分方程29

2.3 传递函数30

2.3.1 传递函数的概念和定义31

2.3.2 特征方程、零点和极点32

2.3.3 关于传递函数的几点说明32

2.3.4 典型环节及其传递函数33

2.4 系统方框图和信号流图42

2.4.1 系统方框图42

2.4.2 系统方框图的简化47

2.4.3 系统信号流图和梅森公式49

2.4.4 控制系统的传递函数53

2.5 非线性数学模型的线性化56

2.5.1 线性化问题的提出56

2.5.2 非线性数学模型的线性化56

2.5.3 系统线性化微分方程的建立57

2.6 控制系统传递函数推导举例60

2.6.1 机械系统60

2.6.2 液压系统65

2.6.3 液位系统67

2.6.4 机电系统69

2.6.5 热力系统71

习题72

第3章 时域分析法77

3.1 典型输入信号77

3.2 一阶系统的时间响应78

3.2.1 一阶惯性环节的单位阶跃响应78

3.2.2 一阶惯性环节的单位速度响应80

3.2.3 一阶惯性环节的单位脉冲响应80

3.2.4 线性定常系统时间响应的性质80

3.3 二阶系统的时间响应81

3.3.1 二阶系统的单位阶跃响应82

3.3.2 二阶系统的性能指标87

3.4 高阶系统的时间响应92

3.5 误差分析和计算94

3.5.1 稳态误差的基本概念94

3.5.2 稳态误差的计算95

3.5.3 稳态误差系数96

3.5.4 扰动引起的稳态误差和系统总误差101

3.6 稳定性分析103

3.6.1 稳定的概念103

3.6.2 稳定的条件104

3.6.3 劳思稳定判据106

3.7 时域特性的计算机辅助分析111

习题116

第4章 频域分析法119

4.1 频率特性的基本概念119

4.1.1 频率响应和频率特性119

4.1.2 频率特性的求取方法120

4.1.3 频率特性的图示方法121

4.2 典型环节的频率特性图122

4.2.1 比例环节122

4.2.2 惯性环节123

4.2.3 积分环节125

4.2.4 理想微分环节126

4.2.5 振荡环节127

4.2.6 一阶微分环节130

4.2.7 二阶微分环节131

4.2.8 延迟环节132

4.3 系统开环频率特性图134

4.3.1 最小相位系统134

4.3.2 系统开环尼氏图的绘制134

4.3.3 系统开环博德图的绘制137

4.3.4 传递函数实验确定法139

4.4 频域稳定性判据142

4.4.1 尼奎斯特稳定性判据142

4.4.2 对数频率特性的稳定性判据150

4.4.3 稳定性裕量152

4.5 闭环控制系统的频率特性154

4.5.1 闭环系统频率特性的求取154

4.5.2 闭环系统的频域指标156

4.6 频域指标与时域性能指标间的关系158

4.6.1 闭环频域指标与时域性能指标之间的关系158

4.6.2 开环频域指标与时域性能指标之间的关系159

4.7 用系统开环频率特性分析闭环系统性能160

4.7.1 低频段161

4.7.2 中频段162

4.7.3 结论164

4.8 频域特性的计算机辅助分析164

4.8.1 用 MATLAB 作开环频率特性曲线164

4.8.2 用 MATLAB 作闭环频率响应曲线164

习题168

第5章 控制系统的设计和校正173

5.1 概述173

5.2 PID 控制规律174

5.2.1 P 控制175

5.2.2 PI 控制176

5.2.3 PD 控制176

5.2.4 PID 控制178

5.3 PID 控制规律的实现179

5.3.1 PD 控制规律的实现180

5.3.2 PI 控制规律的实现182

5.3.3 PID 控制规律的实现184

5.3.4 小结187

5.4 频率法设计和校正188

5.4.1 PID 校正网络参数的确定188

5.4.2 近似 PID 校正网络的参数确定192

5.5 并联校正和复合校正199

5.5.1 并联校正(反馈校正)199

5.5.2 复合校正202

习题205

第6章 线性离散系统与 Z 变换207

6.1 概述207

6.2 采样过程与采样定理208

6.2.1 采样过程208

6.2.2 采样定理210

6.2.3 信号恢复210

6.3 Z 变换与 Z 反变换213

6.3.1 Z 变换213

6.3.2 Z 反变换217

6.3.3 连续系统的离散化方程——差分方程221

6.3.4 用 Z 变换法求解差分方程222

6.4 脉冲传递函数224

6.4.1 脉冲传递函数224

6.4.2 离散系统的开环脉冲传递函数226

6.4.3 离散系统的闭环脉冲传递函数227

6.4.4 闭环离散系统的过渡过程229

6.5 离散系统的稳定性分析231

6.5.1 [s]平面到[z]平面之间的映射231

6.5.2 线性离散系统稳定的充要条件231

6.5.3 线性离散系统稳定性的判别方法232

6.6 数字控制器与离散 PID 控制234

6.6.1 数字控制器的脉冲传递函数234

6.6.2 离散 PID 控制器及其校正235

习题240

第7章 状态空间分析法242

7.1 状态变量与状态空间242

7.2 连续系统的状态方程及输出方程243

7.2.1 由系统微分方程列写状态方程及输出方程243

7.2.2 由系统状态变量图列写状态方程及输出方程250

7.2.3 由系统方框图直接列写状态方程及输出方程254

7.2.4 非线性系统的状态方程及输出方程257

7.2.5 时变线性系统的状态方程及输出方程262

7.3 离散系统的状态方程及输出方程263

7.3.1 作用函数不含未来值时线性离散系统的状态方程及输出方程263

7.3.2 作用函数含未来值时线性离散系统的状态方程及输出方程264

7.4 控制系统状态方程的解267

7.4.1 连续系统状态方程的解267

7.4.2 离散系统状态方程的解283

7.4.3 连续系统状态方程的离散化290

7.5 基于连续系统状态方程的计算机辅助分析294

7.5.1 连续系统状态方程的数值积分程序294

7.5.2 MATLAB 与 SIMULINK 在连续系统分析中的应用300

7.6 SIMULINK 在离散系统分析中的应用303

7.6.1 基于状态差分方程的时域特性分析303

7.6.2 基于离散系统方框图的时域特性分析304

7.7 用 MATLAB 转换系统模型306

习题309

第8章 控制系统的应用和分析312

8.1 带钢卷取电液伺服控制系统312

8.1.1 概述312

8.1.2 控制系统的组成和工作原理312

8.1.3 控制系统性能分析314

8.2 电压-转角机电伺服控制系统320

8.2.1 概述320

8.2.2 控制系统的组成和工作原理320

8.2.3 控制系统性能分析321

8.3 仿形刀架机液伺服控制系统325

8.3.1 概述325

8.3.2 控制系统的组成和工作原理325

8.3.3 控制系统性能分析327

8.4 定量浇注气动调节控制系统331

8.4.1 概述331

8.4.2 控制系统的组成和工作原理332

8.4.3 控制系统性能分析334

附录 A 常用函数的拉氏变换和 Z 变换表338

附录 B Z 变换基本定理341

附录 C 矩阵运算342

附录 D 基本的数值解法345

附录 E 习题参考答案348

参考文献356