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电子信息与电气学科世界著名学者——瓦特1

第1章 绪论2

1.1 引言2

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6

1.4 自动控制系统的基本控制方式7

1.4.1 开环控制7

1.4.2 闭环控制7

1.4.3 复合控制8

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类型及数量分10

1.5.4 按控制原理分10

1.6 自动控制系统的基本要求11

1.7 自动控制原理课程性质和内容11

1.8 小结12

关键术语和概念12

拓展您的事业——电子学13

习题13

电子信息与电气学科世界著名学者——麦克斯韦16

第2章 控制系统的数学模型17

2.1 引言17

2.2 控制系统的时域数学模型17

2.2.1 微分方程与状态变量数学模型17

2.2.2 线性定常微分方程的解24

2.2.3 非线性系统的线性化24

2.2.4 运动的模态27

2.3 控制系统的复数域数学模型28

2.3.1 传递函数的定义与性质28

2.3.2 传递函数的零点与极点29

2.3.3 传递函数用于分析控制系统性能29

2.3.4 传递函数数学模型建立举例31

2.4 控制系统的方框图与信号流图33

2.4.1 控制系统的方框图33

2.4.2 方框图的等效变换和简化36

2.4.3 信号流图39

2.4.4 多输入系统的传递函数42

2.5 输入输出模型与状态变量模型之间的关系43

2.5.1 由输入输出模型转换为状态变量模型43

2.5.2 由状态变量模型转换为输入输出模型47

2.5.3 线性定常系统在坐标变换下的特性48

2.6 数学模型的实验测定法51

2.6.1 数学模型实验测定的主要方法51

2.6.2 数学模型的工程辨识51

2.7 MATLAB用于控制系统模型建立与仿真52

2.8 小结57

关键术语和概念58

拓展您的事业——电气工程59

习题59

电子信息与电气学科世界著名学者——维纳62

第3章 控制系统时域分析63

3.1 引言63

3.1.1 典型输入信号63

3.1.2 时域性能指标64

3.2 控制系统时域分析65

3.2.1 一阶系统的时域分析65

3.2.2 典型二阶系统的时域分析67

3.2.3 高阶系统的时域分析75

3.2.4 MATLAB分析控制系统时域响应77

3.3 线性定常系统的稳定性分析82

3.3.1 稳定性定义及线性定常系统稳定的充分必要条件82

3.3.2 劳斯稳定判据84

3.3.3 赫尔维茨稳定判据88

3.3.4 劳斯稳定判据的应用89

3.4 控制系统的稳态误差分析89

3.4.1 误差定义及稳态误差90

3.4.2 稳态误差的计算90

3.4.3 稳动态误差系数95

3.4.4 扰动作用下的稳态误差96

3.4.5 减小或消除稳态误差的措施98

3.5 小结100

关键术语和概念101

拓展您的事业——自动化102

习题102

电子信息与电气学科世界著名学者——伊文思108

第4章 根轨迹技术109

4.1 引言109

4.1.1 根轨迹的基本概念109

4.1.2 根轨迹方程110

4.2 根轨迹绘制的基本法则111

4.3 广义根轨迹124

4.3.1 参数根轨迹124

4.3.2 正反馈或非最小相位系统的根轨迹128

4.4 时滞系统的根轨迹130

4.5 根轨迹法在控制系统中的应用133

4.6 小结136

关键术语和概念137

拓展您的事业——计算机科学137

习题138

电子信息与电气学科世界著名学者——奈奎斯特142

第5章 线性定常系统的频域分析法143

5.1 引言143

5.1.1 频率特性的基本概念与定义143

5.1.2 频率特性的几何表示法145

5.2 典型环节频率特性曲线的绘制147

5.3 系统开环频率特性153

5.3.1 开环幅相频率特性曲线的绘制153

5.3.2 开环对数频率特性曲线157

5.3.3 传递函数的频域实验确定160

5.4 线性定常系统的频域稳定判据162

5.4.1 奈奎斯特稳定判据的数学基础162

5.4.2 奈奎斯特稳定判据164

5.4.3 对数频率特性稳定判据171

5.5 相对稳定性——稳定裕度174

5.6 闭环系统的频域响应179

5.6.1 闭环系统的频域性能指标179

5.6.2 典型二阶系统的Mr、ωr和带宽BW180

5.6.3 确定闭环频率特性的图解法——尼科尔斯图181

5.6.4 频域指标和时域指标的转换186

5.7 MATLAB在系统频域分析中的应用189

5.8 小结192

关键术语和概念192

拓展您的事业——通信系统193

习题194

电子信息与电气学科世界著名学者——伯德197

第6章 控制系统的校正设计198

6.1 引言198

6.1.1 控制系统的分析与设计问题198

6.1.2 不同校正方法的性能指标199

6.1.3 基本校正方式200

6.2 控制（校正）器的基本控制规律201

6.2.1 比例（P）控制规律201

6.2.2 积分（I）控制规律202

6.2.3 比例积分（PI）控制规律203

6.2.4 比例微分（PD）控制规律204

6.2.5 比例积分微分（PID）控制规律206

6.2.6 局部速度反馈控制规律206

6.3 常用校正装置及特性208

6.3.1 无源校正电路208

6.3.2 有源校正电路211

6.3.3 自动化仪表中的PID控制器212

6.4 根轨迹法在控制系统校正设计中的应用213

6.4.1 串联超前校正213

6.4.2 串联滞后校正218

6.4.3 串联PID校正219

6.4.4 局部反馈校正221

6.5 伯德图频域法在控制系统校正设计中的应用228

6.5.1 串联超前校正228

6.5.2 串联滞后校正232

6.5.3 滞后超前校正236

6.5.4 预期开环频率特性校正设计238

6.6 工业过程控制中PID调节器参数的工程整定243

6.6.1 飞升曲线法243

6.6.2 临界比例度法245

6.7 复合校正控制系统设计246

6.7.1 按扰动补偿的复合控制246

6.7.2 按输入补偿的复合控制247

6.8 实用的PID控制器结构与鲁棒控制问题249

6.8.1 理想的PID控制器249

6.8.2 一类实用的PID控制器250

6.8.3 二自由度PID控制问题251

6.8.4 鲁棒控制系统的设计253

6.9 MATLAB在控制系统设计中的应用263

6.9.1 MATLAB与根轨迹法用于控制系统设计263

6.9.2 MATLAB与频域法用于控制系统设计268

6.10 小结270

关键术语和概念271

拓展您的事业——电子测量仪器271

习题271

电子信息与电气学科世界著名学者——卡尔曼276

第7章 状态变量系统分析与设计277

7.1 引言277

7.2 线性定常连续系统的时域响应278

7.2.1 线性定常系统齐次状态微分方程的解与状态转移矩阵278

7.2.2 状态转移矩阵的性质和意义279

7.2.3 线性定常连续系统非齐次状态方程的解280

7.3 连续系统的李雅普诺夫稳定性分析284

7.3.1 李雅普诺夫稳定性概念284

7.3.2 李雅普诺夫稳定性理论286

7.3.3 线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析292

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294

7.3.5 李雅普诺夫第二法的其他应用297

7.4 控制系统的能控性和能观性300

7.4.1 能控性和能观性的定义301

7.4.2 线性定常连续系统的能控性判据302

7.4.3 线性定常连续系统的能观性判据307

7.4.4 线性系统能控性与能观性的对偶关系309

7.4.5 控制系统的结构分解310

7.5 线性定常系统的极点配置设计316

7.5.1 状态反馈和输出反馈的概念316

7.5.2 状态变量闭环控制系统的极点配置设计319

7.5.3 基于状态观测器的控制系统设计334

7.6 最优控制系统340

7.6.1 最优控制的数学描述与性能指标340

7.6.2 基于线性二次型性能指标最优控制设计343

7.7 小结355

关键术语和概念355

拓展您的事业——科学研究与教育事业356

习题357

电子信息与电气学科世界著名学者——李雅普诺夫361

第8章 非线性系统362

8.1 引言362

8.1.1 非线性系统的特征362

8.1.2 非线性系统的研究方法366

8.2 典型非线性特征及对系统运动的影响367

8.2.1 继电特性368

8.2.2 死区特性370

8.2.3 饱和特性371

8.2.4 间隙特性371

8.2.5 摩擦特性372

8.3 相平面法372

8.3.1 相平面和相轨迹的基本概念372

8.3.2 相轨迹的性质373

8.3.3 相轨迹图解法374

8.3.4 线性系统的相轨迹376

8.3.5 非线性系统的相轨迹379

8.3.6 典型非线性控制系统相平面分析383

8.4 描述函数法392

8.4.1 描述函数法的基本概念392

8.4.2 典型非线性特性的描述函数计算394

8.4.3 非线性系统的简化398

8.4.4 利用描述函数分析系统的稳定性398

8.5 利用非线性特性进行控制系统设计402

8.5.1 非线性阻尼校正402

8.5.2 非线性滞后校正403

8.5.3 基于继电器特性的PID参数自整定控制系统设计405

8.6 MATLAB在非线性系统分析中的应用407

8.7 小结412

关键术语和概念412

拓展您的事业——电磁学413

习题413

电子信息与电气学科世界著名学者——香农417

第9章 数字控制系统418

9.1 引言418

9.1.1 采样控制过程418

9.1.2 数字控制系统组成420

9.2 信号的采样与保持421

9.2.1 采样过程421

9.2.2 采样过程的数学描述422

9.2.3 香农定理423

9.2.4 采样周期的选取424

9.2.5 信号保持424

9.3 z变换426

9.3.1 z变换的定义426

9.3.2 z变换方法426

9.3.3 z变换的基本定理429

9.3.4 z反变换431

9.4 离散系统的数学模型433

9.4.1 线性定常离散系统差分方程及其解法433

9.4.2 脉冲传递函数435

9.4.3 开环系统脉冲传递函数436

9.4.4 闭环系统脉冲传递函数438

9.5 线性定常离散控制系统的稳定性440

9.5.1 线性定常离散控制系统稳定的充要条件440

9.5.2 离散系统的稳定判据441

9.6 离散系统的稳态误差443

9.7 离散系统的动态性能分析444

9.8 数字控制器的设计447

9.8.1 模拟化设计方法447

9.8.2 数字化直接设计方法448

9.9 MATLAB在数字控制系统中的应用450

9.9.1 z变换和z反变换的MATLAB实现450

9.9.2 连续系统模型与离散系统模型的转换453

9.9.3 线性定常数字控制系统的MATLAB稳定性分析454

9.9.4 数字控制系统的MATLAB时域分析457

9.10 小结463

关键术语和概念464

拓展您的事业——软件工程464

习题465

附录A 拉普拉斯变换468

附录B 李雅普诺夫主稳定性定理的证明477

附录C 常用z变换表480

参考文献481