控制系统设计手册 上PDF电子书下载

第一章 控制系统设计概述 1

1.1 自动控制系统的组成及分类 1

1.1.1 控制系统的组成 1

目录 1

1.1.2 自动控制系统分类 2

1.2 控制系统性能指标 3

1.3 控制系统设计的基本问题 6

1.4 控制系统设计方法 8

参考文献 11

2.1 系统的数学模型 12

2.2 控制系统的微分方程描述 12

第二章 控制系统的数学描述 12

2.2.1 控制系统常微分方程描述 13

2.2.2 控制系统微分方程组描述 13

2.2.3 控制系统状态方程描述 15

2.3 传递函数及传递函数矩阵 17

2.3.1 传递函数 17

2.3.2 传递函数矩阵 18

2.4 线性化 20

2.5 脉冲响应函数和脉冲响应函 22

数矩阵 22

2.5.1 脉冲响应函数 22

2.5.2 脉冲响应函数矩阵 24

函数 26

2.6.1 电气元件运动方程及其传递函数 26

2.6 典型元件运动方程及其传递 26

2.6.2 齿轮传动运动方程及其传 30

递函数 30

2.6.3 液面系统运动方程及其传递函数 31

2.7 频率特性 32

2.7.1 频率特性定义 32

2.7.2 典型环节频率特性 33

2.8 系统方块图 37

2.9 信号流图 40

参考文献 42

3.2 连续信号分析 43

3.2.1 傅立叶级数及其算法 43

3.1 引言 43

第三章 信号分析与处理 43

3.2.2 傅立叶变换及其性质 49

3.3 离散信号分析 51

3.3.1 离散傅立叶变换及其算法 51

3.3.2 快速傅立叶变换（FFT）及其算法 56

3.4 随机信号及其响应 61

3.4.1 概率论的基本概念 61

3.4.2 随机向量与随机过程 64

3.4.3 相关系数与相关函数 65

3.4.4 谱密度 73

3.4.5 线性系统随机误差计算 75

3.5 δ函数及其响应 80

附录 83

附表3-1 傅立叶变换及其基本性质 83

附表3-2 常用脉冲及其频谱函数 84

附表3-3 多项式分式积分表 85

附表3-4 卷积表 85

参考文献 86

第四章 控制系统稳定性 87

4.1 稳定的定义 87

4.2 代数稳定判据 89

4.3 乃魁斯特稳定判据 93

4.4 李雅普诺夫第二法 96

4.4.1 李雅普诺夫稳定定理 96

4.4.2 李雅普诺夫直接法的应用 98

4.5 波波夫稳定判据 100

参考文献 102

第五章 控制系统设计的频率法 103

5.1 控制系统频域性能指标 103

5.2 控制系统稳态误差及计算 105

5.2.1 终值误差 106

5.2.2 稳态误差系数 106

5.3 频域与时域性能指标的 108

关系 108

5.3.1 二阶系统 108

5.3.2 高阶系统 110

5.3.3 系统性能指标的确定 110

5.4 系统模型的近似处理 111

率特性的关系 112

5.5.1 典型Ⅰ型系统开环对数幅频特性与动态性能指标的关系 112

5.5 系统性能指标与开环对数频 112

5.5.2 典型Ⅱ型系统开环对数幅频特性与动态性能指标的关系 113

5.5.3 希望频率特性 115

5.6 常用控制器及其特性 116

5.6.1 超前控制器 116

5.6.2 迟后控制器 116

5.6.3 迟后-超前控制器 117

5.7 串联控制器的设计 118

5.7.1 分析法 118

5.7.2 综合法（希望特性法） 124

5.8 并联控制器（反馈校正）的 127

设计 127

5.9 复合控制 134

5.10 过程控制中的PID控制器 137

5.11 系统设计中应注意的问题 138

5.12 系统设计举例 139

5.13 频率响应计算机辅助分析程 156

序FREQ 156

5.13.1 基本原理 156

5.13.2 程序概述 157

5.13.3 程序使用说明 158

5.13.4 程序说明 164

5.13 5 程序清单 170

5.14 控制系统频域法计算机辅助 191

设计程序FDESIGN 191

5.14.1 基本原理 194

5.14.3 程序使用说明 198

5.14.2 程序概述 198

5.14.4 程序说明 206

5.14.5 程序清单 210

参考文献 234

第六章 根轨迹法 235

6.1 概述 235

6.2 控制系统的根轨迹 235

6.3 绘制根轨迹的基本规则 236

6.4 典型系统的根轨迹 238

6.5 迟后系统的根轨迹 242

6.6 参数根轨迹 244

6.7 根轨迹族（多参数根轨迹） 244

6.8 零度根轨迹 246

6.9 离散系统的根轨迹 247

6.10 应用根轨迹法求解代数方 248

程的根 248

6.11 附加零点和极点的作用 250

6.12 闭环零极点分布与系统性能指标的关系 251

6.13 超前控制器的设计 256

6.14 迟后控制器的设计 258

6.15 迟后-超前控制器的设计 258

6.16 设计举例 259

6.17 求取根轨迹的搜索法程 262

序RT 262

6.17.1 基本原理 262

6.17.2 程序概述 262

6.17.3 程序使用说明 263

6.17.4 程序说明 271

6.17.5 程序清单 276

6.18 控制系统根轨迹法计算机辅助设计程序RDESIGN 298

6.18.1 基本原理 298

6.18.2 程序使用说明 299

6.18.3 程序说明 302

6.18.4 程序清单 302

参考文献 307

第七章 离散系统分析与设计 308

7.1 基本概念 308

7.1.1 离散系统 308

7.1.2 数字控制系统 309

7.1.3 采样过程 310

7.1.4 采样定理（Shannon定理） 311

7.1.5 信号的恢复 311

7.2 z变换与离散系统的z域分析 313

7.2.1 z变换 313

7.2.2 z反变换 314

7.2.3 用z变换法解差分方程 316

7.2.4 脉冲传递函数 316

7.2.5 离散系统的稳定性及判别方法 319

7.2.6 离散系统的稳态误差 320

7.2.7 离散系统过渡过程分析 321

7.3 离散系统的状态空间分析 324

7.3.1 离散系统的状态变量描述 324

7.3.2 连续系统状态方程离散化 327

7.3.3 线性定常离散系统的能控性、能观性及判别法 330

7.4 线性离散系统设计 331

7.4.1 采样频率的选择 331

7.4.2 模拟设计法 331

7.4.3 模拟控制器（滤波器）离散化方法 332

7.4.4 各种离散化方法的比较 335

7.4.5 离散设计法 337

7.4.6 频域设计法（w平面法） 347

7.4.7 状态反馈设计法 350

7.5 数字控制器D（z）的实现 352

模拟化设计 357

7.6.1 基本原理 357

7.6 采样控制系统的计算机辅助 357

7.6.2 使用说明 358

参考文献 362

第八章 非线性控制系统 363

8.1 非线性控制系统概述 363

8 1.1 引言 363

8.1.2 非线性系统特点 363

8.1.3 典型非线性特性 364

8.1.4 研究非线性系统的方法 367

8.2 相平面法 367

8.2.1 相平面中的奇点 367

8.2.2 极限环 369

8.2.3 相轨迹绘制方法 370

8.2.4 相平面法的应用 373

8.3 描述函数法 381

8.3.1 基本概念 381

8.3.2 描述函数的实验测试 388

8.3.3 非线性系统的描述函数分析 388

8.3.4 双描述函数及其应用 391

8.4 非线性系统统计分析法 393

8.4.1 非线性特性统计线性化近似方法 393

8.4.2 应用举例 399

8.5 继电系统分析方法 403

8.5.1 继电元件方程 403

8.5.2 继电系统方程及其特点 404

8.5.3 采普金法 406

8.6 非线性控制器 412

8.6.1 变增益控制系统 413

8.6.2 Bang-Bang控制系统设计 415

附录 开关时间的计算方法 417

参考文献 418

第九章 多变量系统分析 419

9.1 转移矩阵及其计算 419

9.1.1 转移矩阵 419

9.1.2 时不变系统转移矩阵的计算 420

9.2 可控性和可达性 428

9.2.1 可控性和可达性定义及判据 428

9.2.2 可观性和状态重构定义与判据 430

9.2.3 系统的约当标准型可控性和可观性 436

9.2.4 能控能观和传递函数的关系 439

9.3 对偶原理 441

9.4 线性变换 442

9.5 系统的标准型 443

9.5.1 单输入单输出系统标准型 443

9.5.2 多输入多输出系统标准型 448

9.6 多变量系统的结构分解 462

9.6.1 系统的能控性分解 463

9.6.2 系统的能观性分解 465

9.6.3 系统结构的规范型 468

9.7 系统的实现 471

实现 472

9.7.1 单输入-单输出系统的 472

9.7.2 多输入-多输出系统的 475

实现 475

9.7.3 矩阵分解式描述系统的实现 482

9.7.4 求最小实现的卡尔曼-海曼法 488

参考文献 493

第十章 动态系统辨识 494

10.1 概述 494

10.1.1 建立数学模型的方法 494

10.1.2 建模的步骤 494

10.2 频率特性测试法 495

10.2.1 测试信号 495

10.2.3 典型测试线路 496

10.2.2 输入信号幅值和频率区域的选择 496

10.2.4 由矩形周期波响应曲线求频率特性 497

10.3 由实验频率特性求传递 498

函数 498

10.3.1 由幅相频率特性曲线求传递函数 498

10.3.2 由对数频率特性求传递函数 500

10.4 由阶跃响应曲线求传递 502

函数 502

10.4.1 一阶近似法 502

10.4.2 二阶近似法 503

10.4.3 半对数坐标法 505

10.4.5 面积积分法 506

10.4.4 高阶惯性环节表示法 506

10.4.6 无自平衡系统的近似法 507

10.5　由脉冲响应曲线求传递 508

函数 508

10.5.1 矩法 508

10.5.2 z变换法 509

10.5.3 直接差分法 510

10.5.4 傅氏级数展开法 513

10.6 由阶跃响应曲线计算微分方 514

程式系数 514

10.7 相关分析法 518

10.7.1 相关分析法的基本原理 518

10.7.2 伪随机二位式序列 519

10.7.3 用M序列辨识线性系统的脉冲响应函数 523

10.8.1 最小二乘原理 526

10.8 最小二乘法 526

10.8.2 线性系统参数模型的最小二乘估计 529

10.9 辅助变量法 530

10.10 广义最小二乘法 531

10.10.1 整批算法 532

10.10.2 递推算法 533

10.11 相关-最小二乘法 534

10.11.1 白噪声输入信号 535

10.11.2 伪随机二位式输入信号 536

10.11.3 任意输入信号 536

10.12 极大似然法 537

10.13.1 汉格尔（Hankel）矩阵判定法 539

10.13 模型结构的判定 539

10.13.2 积矩矩阵判定法 540

10.13.3 残差平方和判定法 541

10.13.4 根据残差的独立性判定法 541

10.13.5 阶次增加时最小二乘估计的递推算法 541

10.14 闭环系统可辨识条件 542

10.15 系统辨识程序包 544

10.15.1 模型结构 544

10.15.2 输入信号算法 546

10.15.3 辨识算法 547

10.15.4 阶次辨识算法 550

10.15.5 程序包组成及程序框图 550

10.15.6 程序清单 557

10.15.7 使用说明 585

10.15.8 举例 589

参考文献 599

第十一章 最优控制 600

11.1 线性规划 600

11.1.1 线性规划的数学模型 600

11.1.2 线性规划问题的几种 604

特殊情况 604

11.1.3 单纯形算法及程序 604

11.2 非线性规划 609

11.2.1 非线性规划的数学模型 610

11.2.2 单纯形加速法 610

11.2.3 不等式约束条件下多变量函数寻优 614

11.2.4 拉格朗日乘子法寻优程序 615

11.4.1 泛函无约束极值问题 620

11.3 最优控制的数学模型 620

11.4 欧拉方程 620

11.4.2 有约束条件的泛函极值问题 622

11.4.3 边界条件 623

11.5 变分法求解最优控制问题 624

11.6 极大值原理及应用 627

11.6.1 极大值原理 627

11.6.2 最短时间控制 628

11.6.3 最少燃料消耗控制 630

11.6.4 最小能量控制 630

11.7 二次型性能指标的 632

最优控制 632

11.7.1 状态控制器 632

11.7.2 输出控制器 635

11.7.3 跟踪问题 636

11.7.4 线性定常系统最优控制 637

仿真程序 637

11.8 离散系统的欧拉方程 643

11.9 离散极大值原理 644

11.10 离散线性控制器 646

11.11 离散系统最短时间控制 647

11.12 动态规划 650

11.12.1 最优化原理 651

11.12.2 离散系统的动态规划方程 655

11.12.3 动态规划法解离散线性二次型问题 656

滤波器 660

11.13 离散系统的最优线性 660

11.14 连续系统的最优线性 667

滤波器 667

参考文献 668

第十二章 自适应控制系统 670

12.1 自适应控制系统的 670

基本结构 670

12.2 模型参考自适应控制系 671

统局部参数最优化设 671

计法 671

12.2.1 具有可调增益的系统 671

（MIT方案） 671

12.2.2 单输入单输出系统 672

12.2.3 多变量系统 674

12.3 基于李雅普诺夫稳定理论 676

设计模型参考自适应控制 676

系统 676

12.3.1 被控对象的全部状态能直接获取时自适应控制系统设计 676

12.3.2 根据对象的输入输出 680

设计自适应控制系统 680

12.4 按超稳定理论设计模型 685

参考自适应控制系统 685

12.4.1 基本设计步骤 685

12.4.2 用状态方程描述的并联模型参考自适应系统设计 686

12.4.3 用输入输出测量值设计模型参考自适应控制系统 690

12.5.1 被控对象的数学模型 692

12.5 最小方差控制 692

12.5.2 最小方差预报律 693

12.5.3 最小方差控制律 694

12.6 最小方差自校正调节器 696

12.7 极点配置自校正调节器 697

参考文献 699

第十三章 控制系统仿真技术 700

13.1 概述 700

13.2 模拟仿真 701

13.2.1 相似原理与模拟仿真 701

13.2.2 模拟仿真系统的构成 701

13.2.3 模拟仿真排题图 706

13.2.4 上机运算步骤 708

13.3.1 数值积分法概述 709

13.3 数值积分法数字仿真 709

13.3.2 积分方法、阶数和步长选择 713

13.3.3 数值积分法程序框图和仿真程序 714

13.3.4 应用举例 715

13.4 结构图法数字仿真 718

13.4.1 结构方块图转化为状态方程 718

13.4.2 结构图法数字仿真程序框图及说明 719

13.4.3 应用举例 725

13.5 连续系统离散相似法 726

数字仿真 726

13.5.1 连续系统的离散化 726

13.5.2 典型环节的离散系数和差分方程 728

13.5.3 离散相似法仿真程序结构 731

13.5.4 非线性特性的仿真 732

13.5.5 离散相似法仿真程序 734

13.5.6 应用举例 745

13.6 采样控制系统的数字仿真 746

13.6.1 数字控制器的仿真 746

13.6.2 延迟环节的数字仿真 747

13.6.3 采样系统的数字仿真 748

13.6.4 采样系统仿真程序及计算 749

举例 749

13.7 仿真程序包与仿真语言 758

13.7.1 ZFX仿真程序包 759

13.7.2 ZFX程序包应用举例 764

13.7.3 DARE-P仿真语言 770

13.7.4 仿真语言应用举例 774

参考文献 776

附录 777

附录一 向量和矩阵的微分 777

与积分 777

A1.1 相对于数量变量的微分法 777

A1.2 相对于向量的微分法 778

A1.3 相对于矩阵的微分法 781

A1.4 复合函数的微分法 783

A1.5 矩阵的积分 784

附录二 矩阵恒等式 784

附录三 拉普拉斯变换和z 785

变换表 785

表A4-1 无源校正网络 787

附录四 校正装置 787

表A4-2 有源校正装置 790

表A4-3 机械校正装置 793

表A4-4 液压校正装置 794

附录五 几个常用计算程序 794

A5.1 矩阵求逆程序 794

A5.2 函数DET子程序 796

A5.3 CHREQ子程序 797

A5.4 CHREQA子程序 799

A5.5 SIMEQ子程序 800

A5.6 STMST子程序 802

A5.7 MULT子程序 805

A5.8 基本矩阵计算程序 806