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目录 1

1 绪论 1

1.1 自动控制的基本概念 1

1.1.1 基本概念 1

1.1.2 开环控制与闭环控制的实例 2

1.2 自动控制理论的发展 3

1.2.1 经典控制理论 3

1.2.4 智能控制 4

1.2.3 大系统理论 4

1.2.2 现代控制理论 4

1.3 控制系统的分类 5

1.3.1 恒值系统和随动系统 5

1.3.2 线性系统和非线性系统 5

1.3.3 连续系统和离散系统 5

习题 6

本章小结 6

1.4.3 稳态性能 6

1.4.2 动态性能 6

1.4.1 稳定性 6

1.4 对控制系统的基本要求 6

2 控制系统的数学模型 8

2.1 基本概念 8

2.1.1 数学模型 8

2.1.2 控制系统 8

2.2 时域模型——微分方程 9

2.2.1 建立系统或元件微分方程的步骤 9

2.2.2 典型系统的微分方程 10

2.2.3 非线性方程线性化方法 14

2.3 复域模型——传递函数 15

2.3.1 传递函数的定义 15

2.3.2 传递函数的性质和物理意义 16

2.3.3 典型环节的传递函数 16

2.3.4 传递函数的表示方式和术语 18

2.4.1 方块图简介 20

2.4 控制系统方块图 20

2.4.2 方块图的化简 22

2.4.3 闭环系统的方块图和传递函数 25

2.5 状态空间模型 28

2.5.1 状态变量表达式相关概念 29

2.5.2 由微分方程建立状态变量表达式 31

2.5.3 状态变量表达式和传递函数的关系 35

习题 41

本章小结 41

3 线性系统的时域分析 44

3.1 系统的稳定性分析 44

3.1.1 稳定的概念 44

3.1.2 稳定的充要条件 45

3.1.3 劳斯稳定判据 46

3.2 二阶系统的动态性能分析 52

3.2.1 典型输入信号 52

3.2.2 动态性能指标 53

3.2.3 二阶系统的时域响应 54

3.2.4 高阶系统的时域响应 59

3.3 系统稳态性能分析 62

3.3.1 稳态误差的定义 63

3.3.2 输入信号作用下系统的稳态误差 64

3.3.3 扰动信号作用时系统的稳态误差 68

本章小结 70

习题 70

4.1 线性系统的频率响应 75

4 线性系统的频域分析 75

4.2 频率特性的图形表示 77

4.2.1 幅相频率特性曲线 78

4.2.2 对数频率特性曲线 86

4.3 奈奎斯特稳定判据 95

4.3.1 奈奎斯特稳定判据的数学基础 95

4.3.2 奈奎斯特稳定判据 95

4.4 控制系统的相对稳定性 100

4.4.1 相对稳定性 100

4.4.2 稳定裕度的求取 102

4.5 频域响应分析 105

4.5.1 频率性能指标 105

4.5.2 频域指标与时域指标的关系 105

本章小结 108

习题 108

5 线性系统的校正 113

5.1 系统设计与校正的概念 113

5.1.1 系统性能指标 113

5.1.2 校正的实质 114

5.1.3 校正方式 115

5.1.4 对数幅频特性的形状对系统性能指标的影响 115

5.2 常用校正装置 117

5.2.1 无源超前网络 117

5.2.2 无源滞后网络 118

5.2.3 滞后-超前无源网络 119

5.3.1 串联超前校正 120

5.3 串联校正的频率法设计 120

5.3.2 串联滞后校正 122

5.3.3 串联滞后-超前校正 124

5.4 PID调节器 126

5.4.1 PID的基本控制作用 126

5.4.2 PID控制器的参数确定 129

本章小结 133

习题 133

6.2 信号的采样与保持 135

6.2.1 采样信号的数学表示 135

6 采样系统分析 135

6.1 引言 135

6.2.2 采样信号的频谱分析 136

6.2.3 采样定理 137

6.2.4 信号的保持 138

6.3 z变换 139

6.3.1 z变换的定义 140

6.3.2 z变换的求法 140

6.3.3 z变换的性质 141

6.3.4 z反变换 144

6.4 采样系统的脉冲传递函数 146

6.4.1 脉冲传递函数的定义和意义 146

6.4.2 脉冲传递函数的求法 147

6.4.3 开环脉冲传递函数 148

6.4.4 闭环脉冲传递函数 149

6.5 采样系统分析 151

6.5.1 采样系统的稳定性 151

6.5.2 采样系统的稳态性能 153

6.5.3 采样系统的动态性能 155

本章小结 158

习题 158

7 状态空间分析设计 161

7.1 状态空间的线性变换 161

7.1.1 线性变换 161

7.1.2 线性变换的不变性 162

7.1.3 线性系统的规范化 163

7.2.1 线性定常系统齐次方程的解 168

7.2 线性定常系统状态方程的解 168

7.2.2 状态转移矩阵的性质 169

7.2.3 状态转移矩阵的求取 170

7.2.4 非齐次状态方程的解 171

7.3 线性连续系统的可控性与可观测性分析 172

7.3.1 线性连续系统的可控性与可观测性的概念 172

7.3.2 线性连续系统的可控性判据 173

7.3.3 线性定常连续系统的可观测性判据 175

7.3.4 通过线性变换将单输入系统化为可控标准型和可观测标准型 177

7.3.5 对偶原理 180

7.3.6 传递函数矩阵与可控性、可观测性的关系 180

7.4 线性定常系统的状态反馈和极点配置 180

7.4.1 状态反馈和输出反馈 180

7.4.2 状态反馈进行极点的任意配置 182

本章小结 184

习题 184

参考文献 187