现代控制工程PDF|Epub|txt|kindle电子书版本网盘下载

现代控制工程PDF格式电子书版下载

注意：本站所有压缩包均有解压码： 点击下载压缩包解压工具

第1章 控制系统简介1

1.1 引言1

1.1.1 历史的回顾1

1.1.2 定义2

1.2 控制系统举例2

1.2.1 速度控制系统3

1.2.2 温度控制系统3

1.2.3 业务系统4

1.3 闭环控制和开环控制5

1.3.1 反馈控制系统5

1.3.2 闭环控制系统6

1.3.3 开环控制系统6

1.3.4 闭环与开环控制系统的比较6

1.4 本书概貌7

第2章 拉普拉斯变换8

2.1 引言8

2.2 复变量和复变函数8

2.2.1 复变量8

2.2.2 复变函数8

2.2.3 尤拉定理10

2.3 拉普拉斯变换11

2.3.1 拉普拉斯变换的存在11

2.3.2 指数函数12

2.3.3 阶跃函数13

2.3.4 斜坡函数13

2.3.5 正弦函数14

2.3.6 说明14

2.3.7 平移函数16

2.3.8 脉动函数17

2.3.9 脉冲函数17

2.3.10 f（t）与e-at相乘18

2.3.11 时间比例尺的改变18

2.3.12 关于拉普拉斯积分下限的说明19

2.4 拉普拉斯变换定理19

2.4.1 实微分定理20

2.4.2 终值定理21

2.4.3 初值定理22

2.4.4 实积分定理23

2.4.5 复微分定理24

2.4.6 卷积积分25

2.4.7 两个时间函数乘积的拉普拉斯变换26

2.4.8 小结26

2.5 拉普拉斯反变换27

2.5.1 求拉普拉斯反变换的部分分式展开法28

2.5.2 只包含不同极点的F（s）的部分分式展开28

2.5.3 包含多重极点的F（s）的部分分式展开30

2.5.4 说明31

2.6 用MATLAB进行部分分式展开31

2.6.1 用MATLAB进行部分分式展开31

2.6.2 用MATLAB求B（s）/A（s）的零点和极点34

2.7 解线性定常微分方程35

例题和解答37

习题45

第3章 动态系统的数学模型49

3.1 引言49

3.1.1 数学模型49

3.1.2 简化性和精确性49

3.1.3 线性系统50

3.1.4 线性定常系统和线性时变系统50

3.1.5 本章要点50

3.2 传递函数和脉冲响应函数50

3.2.1 传递函数50

3.2.2 传递函数的说明51

3.2.3 卷积积分52

3.2.4 脉冲响应函数52

3.3 自动控制系统53

3.3.1 方块图53

3.3.2 闭环系统的方块图54

3.3.3 开环传递函数和前向传递函数55

3.3.4 闭环传递函数55

3.3.5 用MATLAB求串联、并联和反馈（闭环）传递函数55

3.3.6 自动控制器57

3.3.7 工业控制器分类57

3.3.8 双位或开－关控制作用58

3.3.9 比例控制作用59

3.3.10 积分控制作用59

3.3.11 比例－加－积分控制作用60

3.3.12 比例－加－微分控制作用60

3.3.13 比例－加－积分－加－微分控制作用60

3.3.14 扰动作用下的闭环系统60

3.3.15 画方块图的步骤61

3.3.16方块图的简化62

3.4 状态空间模型64

3.4.1 现代控制理论64

3.4.2 现代控制理论与传统控制理论的比较64

3.4.3 状态64

3.4.4 状态变量64

3.4.5 状态向量64

3.4.6 状态空间65

3.4.7 状态空间方程65

3.4.8 传递函数与状态空间方程之间的关系68

3.4.9 传递矩阵69

3.5 动态系统的状态空间表达式70

3.5.1 线性微分方程作用函数中不包含导数项的n阶系统的状态空间表达式70

3.5.2 线性微分方程作用函数中包含导数项的n阶系统的状态空间表达式71

3.6 用MATLAB进行数学模型变换75

3.6.1 由传递函数变换为状态空间表达式76

3.6.2 由状态空间表达式变换为传递函数77

3.7 机械系统78

3.8 电气和电子系统82

3.8.1 LRC电路82

3.8.2 状态空间表示83

3.8.3 串联元件的传递函数83

3.8.4 复阻抗84

3.8.5 无负载效应串联元件的传递函数86

3.8.6 电子控制器87

3.8.7 运算放大器87

3.8.8 反相放大器88

3.8.9 非反相放大器88

3.8.10 求传递函数的阻抗法90

3.8.11 利用运算放大器构成的超前或滞后网络91

3.8.12 利用运算放大器构成的PID控制器92

3.9 信号流图93

3.9.1 信号流图94

3.9.2 定义95

3.9.3 信号流图的性质95

3.9.4 信号流图代数96

3.9.5 线性系统的信号流图表示法97

3.9.6 控制系统的信号流图98

3.9.7 信号流图的梅逊增益公式98

3.9.8 小结101

3.10 非线性数学模型的线性化102

3.10.1 非线性系统的线性化102

3.10.2 非线性数学模型的线性近似102

例题和解答104

习题132

第4章 流体系统和热力系统的数学模型140

4.1 引言140

4.2 液位系统140

4.2.1 液位系统的液阻和液容141

4.2.2 液位系统142

4.2.3 相互有影响的液位系统143

4.3 气动系统144

4.3.1 气动系统和液压系统之间的比较144

4.3.2 气动系统146

4.3.3 压力系统的气阻和气容146

4.3.4 压力系统148

4.3.5 气动喷嘴－挡板放大器148

4.3.6 气动接续器149

4.3.7 气动比例控制器（力－距离型）151

4.3.8 气动比例控制器（力－平衡型）153

4.3.9 气动执行阀155

4.3.10 获得微分控制作用的基本原理156

4.3.11 获得气动比例－加－积分控制作用的方法158

4.3.12 获得气动比例－加－积分－加－微分控制作用的方法159

4.4 液压系统161

4.4.1 液压系统161

4.4.2 液压系统的优缺点161

4.4.3 说明162

4.4.4 液压伺服系统162

4.4.5 液压积分控制器166

4.4.6 液压比例控制器167

4.4.7 缓冲器168

4.4.8 获得液压比例-加-积分控制作用的方法169

4.4.9 获得液压比例－加－微分控制作用的方法170

4.4.10 获取液压比例－加－积分－加－微分控制作用的方法171

4.5 热力系统172

4.5.1 热阻和热容173

4.5.2 热力系统173

例题和解答175

习题193

第5章 瞬态响应和稳态响应分析200

5.1 引言200

5.1.1 典型试验信号200

5.1.2 瞬态响应和稳态响应200

5.1.3 绝对稳定性、相对稳定性和稳态误差200

5.1.4 本章要点201

5.2 一阶系统201

5.2.1 一阶系统的单位阶跃响应202

5.2.2 一阶系统的单位斜坡响应203

5.2.3 一阶系统的单位脉冲响应203

5.2.4 线性定常系统的重要特性204

5.3 二阶系统204

5.3.1 伺服系统204

5.3.2 二阶系统的阶跃响应205

5.3.3 瞬态响应指标的定义209

5.3.4 关于瞬态响应指标的几点说明210

5.3.5 二阶系统及其瞬态响应指标210

5.3.6 带速度反馈的伺服系统215

5.3.7 二阶系统的脉冲响应217

5.4 高阶系统218

5.4.1 高阶系统的瞬态响应218

5.4.2 闭环主导极点220

5.4.3 复平面上的稳定性分析220

5.5 用MATLAB进行瞬态响应分析221

5.5.1 引言221

5.5.2 线性系统的MATLAB表示222

5.5.3 在图形屏幕上书写文本225

5.5.4 标准二阶系统的MATLAB描述227

5.5.5 求传递函数系统的单位阶跃响应227

5.5.6 用MATLAB作单位阶跃响应曲线的三维图228

5.5.7 用MATLAB求上升时间、峰值时间、最大过调量和调整时间230

5.5.8 脉冲响应231

5.5.9 求脉冲响应的另一种方法234

5.5.10 斜坡响应235

5.5.11 在状态空间中定义的系统的单位斜坡响应236

5.5.12 求对任意输入信号的响应238

5.5.13 对初始条件的响应240

5.5.14 对初始条件的响应（状态空间方法，情况1）243

5.5.15 对初始条件的响应（状态空间方法，情况2）244

5.5.16 利用命令Initial求对初始条件的响应246

5.6 用MATLAB解题举例248

5.6.1 机械振动系统248

5.6.2 用MATLAB求解251

5.7 劳斯稳定判据253

5.7.1 劳斯稳定判据简介253

5.7.2 特殊情况255

5.7.3 相对稳定性分析257

5.7.4 劳斯稳定判据在控制系统分析中的应用257

5.8 积分和微分控制作用对系统性能的影响258

5.8.1 积分控制作用258

5.8.2 系统的比例控制258

5.8.3 系统的积分控制259

5.8.4 对转矩扰动的响应（比例控制）260

5.8.5 对转矩扰动的响应（比例－加－积分控制）261

5.8.6 微分控制作用262

5.8.7 带惯性负载系统的比例控制262

5.8.8 具有惯性负载系统的比例－加－微分控制263

5.8.9 二阶系统的比例－加－微分控制263

5.9 单位反馈控制系统中的稳态误差264

5.9.1 控制系统的分类264

5.9.2 稳态误差265

5.9.3 静态位置误差常数KP265

5.9.4 静态速度误差常数K？266

5.9.5 静态加速度误差常数Ka267

5.9.6 小结268

例题和解答269

习题302

第6章 根轨迹分析310

6.1 引言310

6.1.1 根轨迹法310

6.1.2 本章要点311

6.2 根轨迹图311

6.2.1 辐角和幅值系统311

6.2.2 示例312

6.3 根轨迹作图的一般规则322

6.3.1 根轨迹作图的一般规则322

6.3.2 关于根轨迹图的说明326

6.3.3 G（s）的极点与H（s）的零点的抵消326

6.3.4 典型的极－零点分布及其相应的根轨迹327

6.3.5 小结328

6.4 用MATLAB作根轨迹图329

6.4.1 用MATLAB作根轨迹图329

6.4.2 定常ζ轨迹和定常ωn轨迹335

6.4.3 根轨迹与定常增益轨迹的正交性338

6.4.4 求根轨迹上任意点的增益K值340

6.4.5 非最小相位系统341

6.5 正反馈系统342

6.6 条件稳定系统347

6.7 具有传递延迟的系统的根轨迹348

6.7.1 传递延迟和停歇时间的近似351

6.7.2 停歇时间的MATLAB近似计算352

例题和解答352

习题380

第7章 控制系统设计的根轨迹法383

7.1 引言383

7.1.1 性能指标383

7.1.2 用根轨迹法进行设计383

7.1.3 系统的校正383

7.1.4 串联校正和并联（或反馈）校正384

7.1.5 校正装置385

7.1.6 设计步骤385

7.1.7 本章要点385

7.2 初步设计研究386

7.2.1 控制系统设计的根轨迹法386

7.2.2 增加极点的影响386

7.2.3 增加零点的影响387

7.3 超前校正388

7.3.1 超前校正装置388

7.3.2 基于根轨迹法的超前校正技术389

7.4 滞后校正395

7.4.1 采用运算放大器的电子滞后校正装置395

7.4.2 基于根轨迹法的滞后校正395

7.4.3 用根轨迹法进行滞后校正设计的步骤396

7.5 滞后－超前校正404

7.5.1 利用运算放大器构成的电子滞后－超前校正装置404

7.5.2 基于根轨迹法的滞后－超前校正方法405

7.6 并联校正413

7.6.1 并联校正系统设计的基本原理414

7.6.2 速度反馈系统415

例题和解答419

习题448

第8章 频率响应分析454

8.1 引言454

8.1.1 求系统对正弦输入信号的稳态输出454

8.1.2 用图形表示频率响应特性458

8.1.3 本章要点458

8.2 伯德图458

8.2.1 伯德图或对数坐标图458

8.2.2 G（jω）H（jω）的基本因子458

8.2.3 增益K459

8.2.4 积分和微分因子（jω）？1460

8.2.5 一阶因子（1＋jωT）？1461

8.2.6 二阶因子［1＋2ζ（jω/ωn）+（jω/ωn）2］？1464

8.2.7 谐振频率ωr和谐振峰值Mr466

8.2.8 绘制伯德图的一般步骤467

8.2.9 最小相位系统和非最小相位系统469

8.2.10 传递延迟471

8.2.11 系统类型与对数幅值曲线之间的关系473

8.2.12 静态位置误差常数的确定473

8.2.13 静态速度误差常数的确定474

8.2.14 静态加速度误差常数的确定475

8.3 用MATLAB作伯德图476

8.4 极坐标图483

8.4.1 积分和微分因子（jω）？1484

8.4.2 一阶因子（1＋jωT）？1484

8.4.3 二阶因子［1＋2ζ（jω/ωn）+（jω/ωn）2］？1486

8.4.4 极坐标图的一般形状489

8.5 用MATLAB作奈奎斯特图491

8.5.1 注意事项493

8.5.2 定义在状态空间的系统的奈奎斯特图画法495

8.6 对数幅－相图498

8.7 奈奎斯特稳定判据501

8.7.1 预备知识501

8.7.2 映射定理503

8.7.3 映射定理在闭环系统稳定性分析中的应用504

8.7.4 奈奎斯特稳定判据505

8.7.5 关于奈奎斯特稳定判据的几点说明506

8.7.6 G（s）H（s）含有位于jω轴上的极点和（或）零点的特殊情况506

8.8 稳定性分析508

8.8.1 条件稳定系统512

8.8.2 多回路系统513

8.8.3 应用于逆极坐标图上的奈奎斯特稳定判据515

8.8.4 利用改变的奈奎斯特轨迹分析相对稳定性517

8.9 相对稳定性518

8.9.1 通过保角变换进行相对稳定性分析518

8.9.2 相位裕量和增益裕量520

8.9.3 关于相位裕量和增益裕量的几点说明521

8.9.4 用MATLAB求增益裕量、相位裕量、相位交界频率和增益交界频率524

8.9.5 谐振峰值幅值Mr和谐振峰值频率ωr526

8.9.6 标准二阶系统中阶跃瞬态响应与频率响应之间的关系526

8.9.7 一般系统中的阶跃瞬态响应与频率响应之间的关系528

8.9.8 截止频率和带宽529

8.9.9 剪切率530

8.9.10 获得谐振峰值、谐振频率和带宽的MATLAB方法531

8.10 单位反馈系统的闭环频率响应533

8.10.1 闭环频率响应533

8.10.2 等幅值轨迹（M圆）533

8.10.3 等相角轨迹（N圆）535

8.10.4 尼柯尔斯图536

8.11 传递函数的实验确定法541

8.11.1 正弦信号产生器541

8.11.2 由伯德图求最小相位传递函数541

8.11.3 非最小相位传递函数543

8.11.4 关于实验确定传递函数的几点说明543

例题和解答545

习题566

第9章 控制系统设计的频率响应法575

9.1 引言575

9.1.1 控制系统设计的频率响应法575

9.1.2 从开环频率响应可以获得的信息576

9.1.3 对开环频率响应的要求576

9.1.4 超前、滞后和滞后-超前校正的基本特性577

9.1.5 本章要点577

9.2 超前校正577

9.2.1 超前校正装置的特性577

9.2.2 基于频率响应法的超前校正578

9.3 滞后校正585

9.3.1 滞后校正装置的特性586

9.3.2 基于频率响应法的滞后校正586

9.3.3 关于滞后校正的一些说明592

9.4 滞后－超前校正593

9.4.1 滞后－超前校正装置的特性593

9.4.2 基于频率响应法的滞后－超前校正595

9.5 结论599

9.5.1 超前、滞后和滞后－超前校正的比较599

9.5.2 图形对比600

9.5.3 反馈校正600

9.5.4 不希望极点的抵消600

9.5.5 不希望的共轭复数极点的抵消601

9.5.6 结束语602

例题和解答602

习题630

第10章 PID控制与二自由度控制系统633

10.1 引言633

10.2 PID控制器的调节法则634

10.2.1 控制对象的PID控制634

10.2.2 用来调整PID控制器的齐格勒－尼柯尔斯法则634

10.2.3 第一种方法634

10.2.4 第二种方法636

10.2.5 说明637

10.3 求最佳参数值集合的计算方法642

10.4 PID控制方案的修正650

10.4.1 PI-D控制651

10.4.2 I-PD控制652

10.4.3 二自由度PID控制653

10.5 二自由度控制653

10.6 改善响应特性的零点配置法655

10.6.1 零点配置657

10.6.2 对系统响应特性的要求657

10.6.3 确定Gc2657

10.6.4 零点配置670

例题和解答672

习题691

第11章 控制系统的状态空间分析698

11.1 引言698

11.2 传递函数的状态空间表达式698

11.2.1 状态空间标准形的表达式698

11.2.2 n×n维矩阵A的特征值701

11.2.3 n×n维矩阵的对角化702

11.2.4 特征值的不变性704

11.2.5 状态变量组的非惟一性705

11.3 用MATLAB进行系统模型变换705

11.3.1 传递函数系统的状态空间表达式705

11.3.2 由状态空间表达式到传递函数的变换706

11.4 定常系统状态方程的解708

11.4.1 齐次状态方程的解709

11.4.2 矩阵指数710

11.4.3 齐次状态方程的拉普拉斯变换解法711

11.4.4 状态转移矩阵712

11.4.5 状态转移矩阵的性质713

11.4.6 非齐次状态方程的解714

11.4.7 非齐次状态方程的拉普拉斯变换解法715

11.4.8 初始状态为x（t0）的解715

11.5 向量矩阵分析中的若干结果716

11.5.1 凯莱－哈密尔顿定理716

11.5.2 最小多项式717

11.5.3 矩阵指数eAt717

11.5.4 向量的线性无关722

11.6 可控性723

11.6.1 可控性和可观测性723

11.6.2 连续时间系统的状态完全可控性723

11.6.3 状态完全可控性条件的另一种形式725

11.6.4 在s平面上状态完全可控的条件727

11.6.5 输出可控性728

11.6.6 不可控系统728

11.6.7 可稳定性728

11.7 可观测性729

11.7.1 连续时间系统的完全可观测性729

11.7.2 在s平面上完全可观测性的条件731

11.7.3 注释731

11.7.4 完全可观测性条件的另一种形式731

11.7.5 对偶原理733

11.7.6 可检测性734

例题和解答734

习题763

第12章 控制系统的状态空间设计767

12.1 引言767

12.2 极点配置767

12.2.1 极点配置设计768

12.2.2 任意配置极点的充分必要条件769

12.2.3 用变换矩阵T确定矩阵K772

12.2.4 用直接代入法确定矩阵K773

12.2.5 用爱克曼公式确定矩阵K773

12.2.6 调节器系统和控制系统774

12.2.7 选择希望的闭环极点的位置774

12.2.8 注释777

12.3 用MATLAB解极点配置问题777

12.4 伺服系统设计781

12.4.1 当控制对象含有一个积分器时的Ⅰ型伺服系统设计781

12.4.2 当控制对象无积分器时Ⅰ型伺服系统的设计785

12.4.3 系统的单位阶跃响应特性790

12.5 状态观测器简介792

12.5.1 状态观测器793

12.5.2 全阶状态观测器794

12.5.3 对偶问题794

12.5.4 状态观测的充分必要条件795

12.5.5 求状态观测器增益矩阵Ke的变换法795

12.5.6 求状态观测器增益矩阵Ke的直接代入法796

12.5.7 爱克曼公式796

12.5.8 最佳Ke选择的注释797

12.5.9 观测器的引入对闭环系统的影响799

12.5.10 控制器－观测器的传递函数800

12.5.11 最小阶观测器806

12.5.12 具有最小阶观测器的观测－状态反馈控制系统811

12.5.13 用MATLAB确定观测器增益矩阵Ke811

12.5.14 控制器－最小阶观测器的传递函数815

12.6 带观测器的调节器系统设计816

12.7 带观测器的控制系统设计823

12.7.1 带观测器的控制系统设计说明828

12.7.2 状态空间设计法结语829

12.8 二次型最佳调节器系统830

12.8.1 二次型最佳调节器问题830

12.8.2 用MATLAB解二次型最佳调节器问题834

12.8.3 结论841

例题和解答842

习题876

参考文献883