自動控制原理（第4版）

張 蓮,教授，碩士，碩士研究生導師。重慶市高等學校優秀中青年骨幹教師，重慶市人工智能學會理事，重慶市科學技術協會、重慶市電機工程學會、重慶市電子學會、中國建築學會會員。主要從事遠程測試與控制技術、電氣設備狀態監測與故障診斷等方面的科研和教學工作。校級重點課程自動控制原理負責人，承擔了自動控制原理、現代控制理論、電力電子技術、電氣控制與PLC等課程的主講。先後主持、參加了國家863、重慶市科委重大自然科學基金、重慶市攻關等項目20余項，其中獲省部級科技進步三等獎1項，獲專利6項，獲計算機軟件著作權20余件。在國內外期刊發表100余篇論文（其中被EI、ISTP收錄30余篇），出版教材17部，所編寫的教材《自動控制原理》、《工業電氣控制技術》被評為普通高等教育“十一五”、“十二五”國家級規劃教材，《自動控制原理》、《傳感器與自動檢測技術》分別獲得兵器高校優秀教材一等獎，獲重慶市教學成果獎1項。

目錄

 

第1章控制系統的基本概念

 

1.1引言

 

1.2開環控制系統與閉環控制系統

 

1.2.1開環控制系統

 

1.2.2閉環控制系統

 

1.3自動控制系統的組成

 

1.3.1基本組成部分

 

1.3.2自動控制系統中常用的名詞術語

 

1.4自動控制系統的分類

 

1.4.1按輸入信號的特點分類

 

1.4.2按描述系統的動態方程分類

 

1.4.3按系統的參數是否隨時間而變化分類

 

1.4.4按信號的傳遞是否連續分類

 

1.5自動控制系統的應用實例

 

1.5.1爐溫控制系統

 

1.5.2導彈發射架方位控制系統

 

1.5.3計算機控制系統

 

1.6自動控制理論發展簡史

 

1.7對自動控制系統的基本要求

 

習題

 

第2章自動控制系統的數學模型

 

2.1控制系統微分方程的建立

 

2.1.1機械系統

 

2.1.2電系統——RLC串聯網絡

 

2.1.3機電系統

 

2.2非線性系統微分方程的線性化

 

2.2.1小偏差線性化的概念

 

2.2.2非線性系統(元件)線性化處理舉例

 

2.2.3系統線性化的條件及步驟

 

2.3傳遞函數

 

2.3.1傳遞函數的定義和性質

 

2.3.2用復數阻抗法求電網絡的傳遞函數

 

2.3.3典型環節及其傳遞函數

 

2.4控制系統的結構圖及其等效變換

 

2.4.1結構圖的基本概念

 

2.4.2結構圖的組成

 

2.4.3結構圖的建立

 

2.4.4結構圖的等效變換

 

2.5自動控制系統的傳遞函數

 

2.5.1系統的開環傳遞函數

 

2.5.2閉環系統的傳遞函數

 

2.5.3閉環系統的偏差傳遞函數

 

2.6信號流圖

 

2.6.1信號流圖的基本要素

 

2.6.2信號流圖的常用術語

 

2.6.3信號流圖的性質

 

2.6.4信號流圖的等效變換法則

 

2.6.5梅遜增益公式

 

2.7脈沖響應函數

 

2.8控制系統數學模型的MATLAB實現

 

2.8.1MATLAB簡介

 

2.8.2控制系統的數學模型

 

2.8.3應用舉例

 

習題

 

MATLAB實驗

 

第3章控制系統的時域分析法

 

3.1穩定性和代數穩定判據

 

3.1.1穩定的概念

 

3.1.2線性定常系統穩定的充分必要條件

 

3.1.3勞斯穩定判據

 

3.1.4勞斯穩定判據的應用

 

3.2典型輸入信號和時域性能指標

 

3.2.1典型輸入信號

 

3.2.2動態過程與穩態過程

 

3.2.3時域性能指標

 

3.3一階系統的動態性能

 

3.3.1一階系統的時域數學模型

 

3.3.2一階系統的重要特性

 

3.4二階系統的動態性能

 

3.4.1數學模型的標準式

 

3.4.2典型二階系統的單位階躍響應

 

3.4.3典型二階系統動態性能指標

 

3.4.4二階系統性能的改善

 

3.5高階系統的動態性能

 

3.5.1高階系統的數學模型

 

3.5.2高階系統的單位階躍響應

 

3.5.3高階系統的分析方法

 

3.6系統穩態誤差分析

 

3.6.1誤差與穩態誤差的定義

 

3.6.2控制系統的型別

 

3.6.3給定輸入下的穩態誤差

 

3.6.4擾動作用下的穩態誤差

 

3.6.5改善系統穩態精度的方法

 

3.7控制系統時域分析的MATLAB應用

 

3.7.1基於Toolbox工具箱的時域分析

 

3.7.2Simulink

 

習題

 

MATLAB實驗

 

第4章根軌跡法

 

4.1根軌跡的基本概念

 

4.1.1根軌跡概念

 

4.1.2根軌跡方程

 

4.2繪制根軌跡圖的基本規則

 

4.3控制系統根軌跡的繪制

 

4.3.1單回路負反饋系統的根軌跡

 

4.3.2參數根軌跡

 

4.3.3多回路系統的根軌跡

 

4.3.4正反饋系統的根軌跡

 

4.3.5滯後系統的根軌跡

 

4.4控制系統的根軌跡分析

 

4.4.1閉環零點、極點和時間響應

 

4.4.2增加開環零點、極點對根軌跡和系統性能的影響

 

4.4.3條件穩定系統的分析

 

4.5應用MATLAB繪制系統的根軌跡

 

4.5.1繪制根軌跡的相關函數

 

4.5.2利用MATLAB繪制系統的根軌跡

 

習題

 

MATLAB實驗

 

第5章頻率特性法

 

5.1頻率特性的基本概念

 

5.1.1頻率響應

 

5.1.2頻率特性

 

5.1.3由傳遞函數求取頻率特性

 

5.1.4常用頻率特性曲線

 

5.2幅相頻率特性及其繪制

 

5.2.1幅相頻率特性曲線(奈氏圖)基本概念

 

5.2.2典型環節的幅相頻率特性

 

5.2.3開環奈氏圖的繪制

 

5.3對數頻率特性及其繪制

 

5.3.1對數頻率特性曲線基本概念

 

5.3.2典型環節的伯德圖

 

5.3.3開環伯德圖的繪制

 

5.3.4最小相位系統

 

5.3.5由實測伯德圖求傳遞函數

 

5.4奈奎斯特穩定判據

 

5.4.1幅角原理

 

5.4.2奈奎斯特穩定判據

 

5.4.3簡化奈奎斯特穩定判據

 

5.4.4奈奎斯特穩定判據在伯德圖上的應用

 

5.4.5奈奎斯特穩定判據的其他應用

 

5.5控制系統的相對穩定性

 

5.5.1幅值穿越頻率ωc與相位穿越頻率ωg

 

5.5.2相位裕量

 

5.5.3幅值裕量

 

5.5.4系統的穩定裕量

 

5.6利用開環頻率特性分析系統的性能

 

5.6.1開環對數幅頻特性L(ω)低頻段與系統性能的關系

 

5.6.2開環對數幅頻特性L(ω)中頻段與系統動態性能的關系

 

5.6.3開環對數幅頻特性L(ω)高頻段與系統性能的關系

 

5.7閉環系統頻率特性

 

5.7.1閉環頻域指標

 

5.7.2閉環頻率特性的求取

 

5.7.3閉環頻域指標與時域指標的關系

 

5.8MATLAB在頻率特性法中的應用

 

5.8.1奈氏圖的繪制

 

5.8.2伯德圖的繪制

 

5.8.3尼柯爾斯圖的繪制

 

習題

 

MATLAB實驗

 

第6章控制系統的校正

 

6.1控制系統校正的基本概念

 

6.1.1控制系統的性能指標

 

6.1.2校正的一般概念與基本方法

 

6.1.3頻率法校正

 

6.1.4其他設計方法

 

6.2控制系統的基本控制規律

 

6.2.1基本控制規律

 

6.2.2比例微分控制

 

6.2.3比例積分控制

 

6.2.4比例積分微分控制

 

6.3超前校正裝置及其頻率分析法設計

 

6.3.1相位超前校正裝置及其特性

 

6.3.2系統超前校正的分析法設計

 

6.3.3小結

 

6.4滯後校正裝置及其頻率分析法設計

 

6.4.1相位滯後校正裝置及其特性

 

6.4.2系統滯後校正的分析法設計

 

6.4.3小結

 

6.5滯後超前校正裝置及其頻率分析法設計

 

6.5.1相位滯後超前校正裝置及其特性

 

6.5.2系統滯後超前校正的分析法設計

 

6.5.3小結

 

6.6期望對數頻率特性設計法

 

6.6.1期望法設計的基本概念

 

6.6.2常見系統的期望特性

 

6.6.3應用實例

 

6.6.4小結

 

6.7基於根軌跡法的串聯校正

 

6.7.1根軌跡法校正的基本概念

 

6.7.2利用根軌跡法設計超前校正裝置

 

6.7.3利用根軌跡法設計滯後校正裝置

 

6.7.4利用根軌跡法設計滯後超前校正裝置

 

6.8反饋校正裝置及其參數的確定

 

6.8.1反饋校正的基本概念

 

6.8.2反饋校正的設計方法

 

6.8.3常用反饋校正形式與功能

 

6.8.4小結

 

6.9控制系統校正的MATLAB應用

 

6.9.1MATLAB函數在控制系統校正中的應用

 

6.9.2基於Simulink的系統校正

 

習題

 

MATLAB實驗

 

第7章非線性控制系統

 

7.1非線性系統的基本概念

 

7.1.1非線性系統的數學描述

 

7.1.2非線性特性的分類 

 

7.1.3非線性系統的特點

 

7.1.4非線性系統的分析和設計方法

 

7.2二階線性和非線性系統的相平面分析

 

7.2.1相平面、相軌跡和平衡點

 

7.2.2二階線性系統的特征

 

7.2.3二階非線性系統的特征

 

7.3非線性系統的相平面分析

 

7.3.1繪制相軌跡的方法

 

7.3.2相軌跡求系統暫態響應

 

7.3.3相軌跡分析非線性系統

 

7.4非線性特性的一種線性近似表示——描述函數

 

7.4.1描述函數的意義

 

7.4.2典型非線性特性的描述函數

 

7.4.3非線性系統的描述函數分析

 

7.5利用非線性特性改善線性系統的性能

 

7.6MATLAB在非線性控制系統中的應用

 

7.6.1利用MATLAB分析非線性系統的頻率特性與時域響應

 

7.6.2利用MATLAB繪制非線性系統的相平面圖

 

習題

 

MATLAB實驗

 

第8章離散控制系統的分析和綜合

 

8.1離散控制系統的基本概念

 

8.1.1離散控制系統的組成

 

8.1.2離散控制系統的特點

 

8.1.3離散控制系統的研究方法

 

8.2采樣過程與采樣定理

 

8.2.1采樣過程

 

8.2.2采樣定理

 

8.2.3零階保持器

 

8.3z變換

 

8.3.1z變換的定義

 

8.3.2z變換的方法

 

8.3.3z變換的性質

 

8.3.4z反變換

 

8.4離散控制系統的數學模型

 

8.4.1脈沖傳遞函數

 

8.4.2開環系統的脈沖傳遞函數

 

8.4.3離散控制系統的閉環脈沖傳遞函數

 

8.4.4應用z變換分析離散系統的局限性與條件

 

8.4.5差分方程

 

8.5穩定性分析

 

8.5.1離散控制系統穩定的充分必要條件

 

8.5.2離散控制系統的勞斯穩定判據

 

8.6穩態誤差分析

 

8.6.1離散系統的穩態誤差

 

8.6.2離散系統的型別與典型輸入信號作用下穩態誤差

 

8.7離散系統的動態性能分析

 

8.7.1離散系統的時間響應

 

8.7.2閉環極點與動態響應的關系

 

8.8離散系統的數字校正

 

8.8.1數字控制器的脈沖傳遞函數

 

8.8.2最少拍系統設計

 

8.9MATLAB在離散控制系統中的應用

 

8.9.1利用Toolbox工具箱分析離散系統

 

8.9.2利用Simulink分析離散系統

 

習題

 

MATLAB實驗

 

附錄A經典控制理論常用詞匯中英文對照表

 

附錄B控制系統分析中的MATLAB常用函數

 

附錄C拉普拉斯變換及有關性質

 

參考文獻