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第1章 绪论1

电子与电气学科世界著名学者——瓦特1

1.1 引言1

1.2 自动控制的定义和历史回顾2

1.3 自动控制系统举例及术语定义4

1.3.1 液位控制系统4

1.3.2 温度控制系统5

1.3.3 自动控制系统术语定义5

1.4 自动控制系统的基本控制方式6

1.4.1 开环控制6

1.4.2 闭环控制7

1.4.3 复合控制7

1.5 自动控制系统分类8

1.5.1 按系统特性方程分8

1.5.2 按参考输入信号的变化规律分9

1.5.3 按控制系统输入量和输出量的数量分10

1.5.4 按控制原理分10

1.6 自动控制系统的基本要求10

1.7 自动控制原理课程的性质和内容11

1.8 小结11

关键术语和概念12

拓展您的事业——电子学科13

习题13

第2章 控制系统的数学模型15

电子与电气学科世界著名学者——麦克斯韦15

2.1 引言16

2.2 控制系统的时域数学模型16

2.2.1 微分方程与状态变量数学模型16

2.2.2 线性定常微分方程的解22

2.2.3 非线性系统的线性化23

2.2.4 运动的模态26

2.3 控制系统的复数域数学模型26

2.3.1 传递函数的定义和性质26

2.3.2 传递函数的零点和极点27

2.3.3 传递函数用于分析控制系统性能28

2.3.4 传递函数数学模型建立举例30

2.4 控制系统的方框图与信号流图32

2.4.1 控制系统的方框图32

2.4.2 方框图的等效变换和简化34

2.4.3 信号流图37

2.4.4 多输入系统的传递函数39

2.5 输入输出模型与状态变量模型之间的关系40

2.5.1 由输入输出模型转换为状态变量模型40

2.5.2 由状态变量模型转换为输入输出模型45

2.5.3 线性定常系统在坐标变换下的特性45

2.6 数学模型的实验测定法48

2.6.1 数学模型实验测定的主要方法48

2.6.2 数学模型的工程辨识49

2.7 MATLAB用于控制系统模型建立与仿真49

2.8 小结53

关键术语和概念54

拓展您的事业——电气工程学科54

习题55

第3章 控制系统时域分析58

电子与电气学科世界著名学者——维纳58

3.1 引言59

3.1.1 典型输入信号59

3.1.2 时域性能指标60

3.2 控制系统时域分析61

3.2.1 一阶系统的时域分析61

3.2.2 典型二阶系统的时域分析63

3.2.3 高阶系统的时域分析71

3.2.4 MATLAB分析控制系统时域响应73

3.3 线性定常系统的稳定性分析78

3.3.1 稳定性定义及线性定常系统稳定的充分必要条件78

3.3.2 劳斯稳定判据81

3.3.3 劳斯稳定判据的应用84

3.4 控制系统的稳态误差分析85

3.4.1 误差定义及稳态误差85

3.4.2 稳态误差的计算86

3.4.3 扰动作用下的稳态误差90

3.4.4 减小或消除稳态误差的措施92

3.5 小结94

关键术语和概念95

拓展您的事业——自动化学科96

习题96

第4章 根轨迹技术103

电子与电气学科世界著名学者——伊文思103

4.1 引言104

4.1.1 根轨迹的基本概念104

4.1.2 根轨迹方程105

4.2 根轨迹绘制的基本法则106

4.3 广义根轨迹119

4.3.1 参数根轨迹119

4.3.2 正反馈或非最小相位系统的根轨迹123

4.4 时滞系统的根轨迹125

4.5 根轨迹法在控制系统中的应用128

4.6 小结131

关键术语和概念132

拓展您的事业——计算机学科132

习题133

第5章 线性定常系统的频域分析法137

电子与电气学科世界著名学者——奈奎斯特137

5.1 引言137

5.1.1 频率特性的基本概念与定义138

5.1.2 频率特性的几何表示法140

5.2 典型环节频率特性曲线的绘制142

5.3 系统的开环频率特性147

5.3.1 开环幅相频率特性曲线的绘制148

5.3.2 开环对数频率特性曲线151

5.3.3 传递函数的频域实验确定155

5.4 线性定常系统频率域稳定判据157

5.4.1 奈奎斯特稳定判据的数学基础157

5.4.2 奈奎斯特稳定判据158

5.4.3 对数频率特性稳定判据165

5.5 相对稳定性——稳定裕度169

5.6 闭环系统的频域响应173

5.6.1 闭环系统的频域性能指标174

5.6.2 典型二阶系统的Mr、ωr和带宽BW175

5.6.3 确定闭环频率特性的图解法——尼科尔斯图176

5.6.4 频域指标和时域指标的转换181

5.7 MATLAB在系统频域分析中的应用184

5.8 小结186

关键术语和概念187

拓展您的事业——通信系统学科188

习题188

第6章 控制系统的校正设计192

电子与电气学科世界著名学者——伯德192

6.1 引言193

6.1.1 控制系统的分析与设计问题193

6.1.2 不同校正方法的性能指标194

6.1.3 基本校正方式195

6.2 控制（校正）器的基本控制规律196

6.2.1 比例（P）控制规律196

6.2.2 积分（I）控制规律197

6.2.3 比例-积分（PI）控制规律198

6.2.4 比例-微分（PD）控制规律199

6.2.5 比例-积分-微分（PID）控制规律201

6.2.6 局部速度反馈控制规律201

6.3 常用校正装置及特性202

6.3.1 无源校正电路203

6.3.2 自动化仪表中的PID控制器206

6.4 根轨迹法在控制系统校正设计中的应用206

6.4.1 串联超前校正207

6.4.2 串联滞后校正211

6.4.3 串联PID校正213

6.4.4 局部反馈校正214

6.5 伯德图频域法在控制系统校正设计中的应用222

6.5.1 串联超前校正222

6.5.2 串联滞后校正226

6.5.3 滞后-超前校正229

6.5.4 串联校正的预期开环频率特性设计231

6.6 工业过程控制中PID调节器参数的工程整定236

6.6.1 飞升曲线法236

6.6.2 临界比例度法237

6.7 复合校正控制系统设计239

6.7.1 按扰动补偿的复合控制239

6.7.2 按输入补偿的复合控制240

6.8 实用的PID控制器结构与鲁棒控制问题242

6.8.1 理想的PID控制器242

6.8.2 一类实用的PID控制器243

6.8.3 二自由度PID控制问题244

6.8.4 鲁棒控制系统的设计246

6.9 MATLAB在控制系统设计中的应用256

6.9.1 MATLAB与频域法用于控制系统设计256

6.9.2 MATLAB与根轨迹法用于控制系统设计258

6.10 小结263

关键术语和概念264

拓展您的事业——-电子仪器学科264

习题265

第7章 状态变量系统分析与设计269

电子与电气学科世界著名学者——卡尔曼269

7.1 引言270

7.2 线性定常连续系统的时域响应270

7.2.1 线性定常系统齐次状态方程的解与状态转移矩阵270

7.2.2 状态转移矩阵的性质和意义272

7.2.3 线性定常连续系统非齐次状态方程的解273

7.3 连续系统的李雅普诺夫稳定性分析277

7.3.1 李雅普诺夫稳定性概念277

7.3.2 李雅普诺夫稳定性理论279

7.3.3 线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析285

7.3.4 非线性系统的李雅普诺夫稳定性分析-克拉索夫斯基法287

7.3.5 李雅普诺夫第二法的其他应用290

7.4 控制系统的能控性和能观测性293

7.4.1 能控性和能观测性的定义294

7.4.2 线性定常连续系统的能控性判据295

7.4.3 线性定常连续系统的能观测性判据300

7.4.4 线性系统能控性与能观测性的对偶关系302

7.4.5 控制系统的结构分解303

7.5 线性定常系统的极点配置设计309

7.5.1 状态反馈和输出反馈的概念309

7.5.2 状态变量闭环控制系统的极点配置设计312

7.5.3 基于状态观测器的控制系统设计327

7.6 最优控制系统333

7.6.1 最优控制的数学描述与性能指标333

7.6.2 基于线性二次型性能指标最优控制设计336

7.7 小结347

关键术语和概念348

拓展您的事业——科学研究与工程教育事业349

习题349

第8章 非线性系统354

电子与电气学科世界著名学者——李雅普诺夫354

8.1 引言355

8.1.1 非线性系统的特征355

8.1.2 非线性系统的研究方法359

8.2 典型非线性特征及对系统运动的影响360

8.2.1 继电特性360

8.2.2 死区特性362

8.2.3 饱和特性363

8.2.4 间隙特性364

8.2.5 摩擦特性364

8.3 相平面法365

8.3.1 相平面和相轨迹的基本概念365

8.3.2 相轨迹的性质366

8.3.3 相轨迹图解法367

8.3.4 线性系统的相轨迹369

8.3.5 非线性系统的相轨迹372

8.3.6 典型非线性控制系统相平面分析376

8.4 描述函数法384

8.4.1 描述函数法的基本概念384

8.4.2 典型非线性特性的描述函数计算386

8.4.3 非线性系统的简化390

8.4.4 利用描述函数分析系统的稳定性390

8.5 利用非线性特性进行控制系统设计394

8.5.1 非线性阻尼校正394

8.5.2 非线性滞后校正395

8.5.3 基于继电器特性的PID参数自整定控制系统设计397

8.6 MATLAB在非线性系统分析中的应用399

8.7 小结404

关键术语和概念404

拓展您的事业——电磁学科405

习题405

第9章 数字控制系统409

电子与电气学科世界著名学者——香农409

9.1 引言410

9.1.1 采样控制过程410

9.1.2 数字控制系统组成412

9.2 信号的采样与保持413

9.2.1 采样过程413

9.2.2 采样过程的数学描述414

9.2.3 香农定理415

9.2.4 采样周期的选取416

9.2.5 信号保持416

9.3 z变换理论418

9.3.1 z变换的定义418

9.3.2 z变换方法419

9.3.3 z变换的基本定理421

9.3.4 z反变换423

9.4 离散系统的数学模型426

9.4.1 线性定常离散系统差分方程及其解法426

9.4.2 脉冲传递函数427

9.4.3 开环系统脉冲传递函数428

9.4.4 闭环系统脉冲传递函数430

9.5 线性定常离散控制系统的稳定性432

9.5.1 线性定常离散控制系统稳定的充要条件432

9.5.2 线性定常离散系统的稳定判据434

9.6 离散系统的稳态误差435

9.7 离散系统的动态性能分析436

9.8 数字控制器的设计439

9.8.1 模拟化设计方法439

9.8.2 数字化直接设计方法440

9.9 MATLAB在数字控制系统中的应用442

9.9.1 z变换和z反变换的MATLAB实现442

9.9.2 连续系统模型与离散系统模型的转换445

9.9.3 线性定常数字控制系统的MATLAB稳定性分析446

9.9.4 数字控制系统的MATLAB时域分析449

9.10 小结455

关键术语和概念455

拓展您的事业——软件工程学科456

习题456

第10章 自动控制系统的设计实例459

信息技术创新创业先驱——乔布斯459

10.1 引言460

10.2 温度控制器的设计与实现460

10.2.1 温度控制系统分析460

10.2.2 温度控制系统硬件设计464

10.2.3 温度控制系统性能测试469

10.3 倒立摆控制系统设计与实现470

10.3.1 倒立摆数学模型的建立471

10.3.2 倒立摆控制系统硬件设计474

10.3.3 倒立摆控制系统算法仿真479

10.3.4 倒立摆控制系统实现488

10.4 小结489

关键术语和概念489

拓展您的事业——航空航天学490

附录A拉普拉斯变换491

A.1 拉普拉斯变换和反变换的定义491

A.2 常用函数的拉普拉斯变换491

A.3 拉普拉斯变换基本定理494

A.4 拉普拉斯反变换496

A.5 拉普拉斯变换表498

附录B李亚普诺夫主稳定性定理的证明500

附录C常用z变换表503

参考文献504