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第1章 引论1

1.1 什么是反馈1

1.2 什么是控制3

1.3 反馈实例4

1.3.1 早期技术实例4

1.3.2 发电与输电5

1.3.3 航空与运输6

1.3.4 材料及其处理7

1.3.5 仪器8

1.3.6 机器人学与智能机器9

1.3.7 网络与计算系统10

1.3.8 经济学11

1.3.9 自然中的反馈12

1.4 反馈特性14

1.4.1 鲁棒性与不确定性14

1.4.2 动态特性的设计15

1.4.3 高级自动控制16

1.4.4 反馈的缺点17

1.4.5 前馈17

1.4.6 正反馈18

1.5 简单形式的反馈18

1.5.1 通断控制18

1.5.2 PID控制19

1.6 进阶阅读20

习题21

第2章 系统建模22

2.1 建模的概念22

2.1.1 力学中的阐释22

2.1.2 电气工程的阐释24

2.1.3 控制的观点25

2.1.4 多学科建模26

2.2 状态空间模型27

2.2.1 常微分方程组27

2.2.2 差分方程30

2.2.3 仿真与分析33

2.3 建模方法35

2.3.1 方框图36

2.3.2 实验建模38

2.3.3 归一化与定标39

2.3.4 模型的不确定性40

2.4 建模实例41

2.4.1 运动控制系统41

2.4.2 信息系统43

2.4.3 生物系统47

2.5 进阶阅读49

习题49

第3章 实例53

3.1 定速巡航控制53

3.2 自行车动态特性模型56

3.3 运算放大器电路58

3.4 计算系统与网络61

3.4.1 Web服务器控制61

3.4.2 拥塞控制63

3.5 原子力显微镜65

3.6 药物管理68

3.6.1 房室模型69

3.6.2 胰岛素-葡萄糖动态平衡70

3.7 种群动态特性72

3.7.1 后勤增长模型72

3.7.2 捕食者-猎物模型72

习题73

第4章 动态行为76

4.1 求解微分方程76

4.2 定性分析78

4.2.1 相图79

4.2.2 平衡点和极限环79

4.3 稳定性81

4.3.1 定义81

4.3.2 线性系统的稳定性83

4.3.3 基于线性近似的稳定性分析86

4.4 李雅普诺夫稳定性分析88

4.4.1 李雅普诺夫函数88

4.4.2 Krasovski-Lasalle不变性原理94

4.5 参数化行为与非局部行为95

4.5.1 吸引域95

4.5.2 分岔96

4.5.3 利用反馈进行非线性动态特性设计98

4.6 进阶阅读100

习题100

第5章 线性系统104

5.1 基本定义104

5.1.1 线性特性105

5.1.2 时不变性107

5.2 矩阵指数108

5.2.1 初始条件响应108

5.2.2 约当标准型111

5.2.3 特征值和模式114

5.3 输入／输出响应116

5.3.1 卷积方程116

5.3.2 坐标不变性118

5.3.3 稳态响应120

5.3.4 采样125

5.4 线性化127

5.4.1 平衡点处的雅可比线性化128

5.4.2 反馈线性化130

5.5 进阶阅读131

习题131

第6章 状态反馈134

6.1 可达性134

6.1.1 可达性的定义134

6.1.2 可达性的判定135

6.1.3 可达标准型138

6.2 基于状态反馈的稳定化141

6.2.1 状态空间控制器的结构141

6.2.2 可达标准型系统中的状态反馈144

6.2.3 特征值配置145

6.3 状态反馈的设计147

6.3.1 二阶系统147

6.3.2 高阶系统151

6.3.3 线性二次调节器153

6.4 积分作用157

6.5 进阶阅读159

习题160

第7章 输出反馈163

7.1 可测性163

7.1.1 可测性的定义163

7.1.2 可测性的检验164

7.1.3 可测标准型166

7.2 状态估算167

7.2.1 观测器167

7.2.2 观测器增益的计算170

7.3 基于状态估计的控制171

7.4 卡尔曼滤波器174

7.5 一种通用控制器结构177

7.5.1 前馈177

7.5.2 线性系统的卡尔曼解构180

7.5.3 计算机实现181

7.6 进阶阅读183

习题183

第8章 传递函数185

8.1 频域建模185

8.2 传递函数的推导186

8.2.1 指数信号的传输186

8.2.2 坐标的改变189

8.2.3 线性系统的传递函数189

8.2.4 增益、极点和零点192

8.3 方框图和传递函数195

8.3.1 控制系统的传递函数196

8.3.2 极点／零点抵消199

8.3.3 代数环200

8.4 伯德图201

8.4.1 伯德图的绘制及解释202

8.4.2 由实验获得传递函数207

8.5 拉普拉斯变换209

8.6 进阶阅读210

习题211

第9章 频域分析法215

9.1 环路传递函数215

9.2 奈奎斯特判据217

9.2.1 奈奎斯特图217

9.2.2 条件稳定性221

9.2.3 通用奈奎斯特判据221

9.2.4 奈奎斯特稳定定理的推导222

9.3 稳定裕度223

9.4 伯德图关系和最小相位系统227

9.5 增益和相位的广义概念229

9.5.1 系统增益229

9.5.2 小增益和无源性230

9.5.3 描述函数231

9.6 进阶阅读232

习题233

第10章 PID控制235

10.1 基本控制功能235

10.2 用于复杂系统的简化控制器239

10.3 PID整定242

10.3.1 Ziegler-Nichols整定242

10.3.2 延迟反馈244

10.4 积分器饱和245

10.5 实现247

10.5.1 滤波微分247

10.5.2 给定加权247

10.5.3 基于运算放大器的实现248

10.5.4 计算机实现249

10.6 进阶阅读250

习题251

第11章 频域设计253

11.1 灵敏度函数253

11.2 前馈设计256

11.3 性能指标258

11.3.1 对参考信号的响应258

11.3.2 对负载干扰及测量噪声的响应259

11.4 基于环路整形的反馈设计261

11.4.1 设计考虑因素261

11.4.2 超前和滞后补偿262

11.5 基本限制因素265

11.5.1 右半平面极点、零点以及时间延迟265

11.5.2 波特积分公式268

11.5.3 波特公式的推导271

11.6 设计实例272

11.7 进阶阅读275

习题275

第12章 鲁棒性能278

12.1 建模的不确定性278

12.1.1 未被建模的动态特性279

12.1.2 两个系统的相似——维尼科姆度量280

12.2 存在不确定性时的稳定性282

12.2.1 应用奈奎斯特判据判断鲁棒稳定性282

12.2.2 Youla参数化285

12.3 存在不确定性时的性能287

12.3.1 干扰衰减287

12.3.2 参考信号的跟踪288

12.4 鲁棒性极点配置290

12.4.1 慢稳过程零点290

12.4.2 快稳过程极点292

12.4.3 极点配置的设计准则293

12.5 鲁棒性能设计296

12.5.1 定量反馈理论296

12.5.2 线性二阶控制297

12.5.3 H∞控制297

12.5.4 干扰加权299

12.5.5 鲁棒设计的局限299

12.6 进阶阅读300

习题300

参考文献302