自动控制工程 第1册PDF电子书下载

译者的话 1

前言 1

中文版前言 1

1．控制工程问题的提出 1

1.1　控制工程问题的分类 1

1.2　用方框图描述系统 1

目录 1

1.3　开环控制与闭环控制 4

1.4　闭环控制的基本作用方式 5

1.5　控制系统的基本结构 8

1.6.2　导航控制系统 10

1.6　调节过程的一些典型例子 10

1.6.1　电压控制系统 10

1.6.3　液位控制系统 11

1.6.4　热交换器控制系统 11

1.7　历史发展背景 12

2．控制系统的几个重要性质 15

2.1　数学模型 15

2.2　系统的动态和静态特性 16

2.3　系统特性 17

2.3.1　线性和非线性系统 17

2.3.2　集中和分布参数系统 20

2.3.3　时变和时不变系统 21

2.3.4　连续和离散系统 21

2.3.5　确定性和随机变量系统 22

2.3.6　因果和非因果系统 23

2.3.7　稳定和不稳定系统 23

2.3．8　单变量和多变量系统 23

3.线性连续系统的时域描述 24

3.1　用微分方程来描述系统 24

3.1.1　电学系统 24

3.1.2　力学系统 25

3.1.3　热学系统 28

3.2　以特殊输出信号描述系统 30

3.2.1　过渡函数（阶跃响应） 30

3.2.2　权函数（脉冲响应） 31

3.2.3　卷积积分［杜哈美尔（Duhamel）积分］ 32

3.3 状态空间表达 34

3.3.1 单变量系统的状态空间表达 34

3.3.2 多变量系统的状态空间表达 35

4．线性连续系统的频域描述 37

4.1 拉氏变换 37

4.1.1 定义和收敛域 37

4.1.2 拉氏变换表 38

4.1.3 拉氏变换的主要性质 40

4.1.4 拉氏反变换 44

4.1.5 利用拉氏变换求解线性微分方程 47

4.1.6 脉冲函数δ（t）的拉氏变换 51

4.2 传递函数 52

4.2.1 定义和推导 52

4.2.2 传递函数的零、极点 53

4.2.3 传递函数的计算 54

4.2.4 由状态空间表达式推导G（s） 55

4.2.5 分布参数系统的传递函数 58

4.2.7 复G平面 59

4.2.6 传递矩阵 59

4.3 频率特性表达 61

4.3.1 定义 61

4.3.2 频率特性图（奈奎斯特图） 63

4.3.3 对数频率特性波特（Bode）图 64

4.3.4 最重要传递环节分类 65

4.3.4.1 比例环节（P环节） 65

4.3.4.2 积分环节（I环节） 66

4.3.4.3 微分环节（D环节） 66

4.3.4.4 一阶延迟环节（PT1环节） 68

4.3.4.6 超前环节（DT1环节） 70

4.3.4.5 比例-微分环节（PD环节） 70

4.3.4.7 二阶延迟环节（PT2环节和PT2S环节） 73

4.3.4.8 其他传递环节 79

4.3.4.9 传递环节的频带宽度 79

4.3.4.10 具有有理分式传递函数的传递环节的波特图绘制举例 84

4.3.5 最小和非最小相位系统 85

5．线性连续控制系统的特性 89

5.1 控制系统的动态特性 89

5.2 控制系统的静态特性 91

5.2.1 具有比例特性的传递函数G0（s） 92

5.2.3 具有二重积分特性的传递函数G0（s） 93

5.2.2 具有积分特性的传递函数G0（s） 93

5.3 PID调节器及由其导出的调节器类型 95

5.3.1 传递特性 95

5.3.2 不同类型调节器的优缺点 97

5.3.3 线性调节器的工程实现 99

5.3.3.1 反馈原理 99

5.3.3.2 电气调节器 100

5.3.3.3 气动调节器 103

6．线性连续控制系统的稳定性 106

6.1 稳定性的定义和稳定条件 106

6.2.1 系数条件 107

6.2 代数稳定性判据 107

6.2.2 赫尔维茨（Hurwitz）判据 109

6.2.3　劳斯（Routh）判据 111

6.3　米氏（CLM）稳定性判据 113

6.4　奈奎斯特（Nyquist）稳定性判据 116

6.4.1　奈奎斯特判据的极坐标图形式 116

6.4.1.1　奈奎斯特判据应用举例 119

6.4.1.2　在有延迟特性系统中的应用 120

6.4.1.3　奈奎斯特判据的简化形式 123

6.4.2　在对数频率特性图中的奈奎斯特判据 124

7.1　根轨迹法的基本思路 129

7．根轨迹法 129

7.2　绘制根轨迹的一般规则 132

7.3　根轨迹绘制规则的应用举例 137

8．线性连续控制系统设计的经典方法 141

8.1　问题的提出 141

8.2　时域中的设计 143

8.2.1　时域中的性能指标 143

8.2.1.1　动态过渡误差 143

8.2.1.2　积分指标 144

8.2.1.3　二次型控制面积的计算 144

8.2.2.1　根据二次型性能指标求解最优参数的例题 147

8.2.2　根据二次型性能指标设计调节器最优参数 147

8.2.2.2　对PTn型被控对象标准调节器的参数优化 150

8.2.3　经验方法 160

8.2.3.1 日格雷（Ziegler）和尼柯尔斯（Nichols）的经验方法 160

8 2.3.2　通过仿真的经验设计 161

8.3　频域设计 162

8.3.1　频域内的特征参数 162

8.3.1.1　频域内闭环控制系统的特征参数及其与时域性能指标的关系 162

8.3.1.2　开环控制系统的特征参数及其与闭环控制系统时域性能指标的关系 168

8.3.2　用频率特性曲线法进行调节器综合设计 171

8.3.2.1　基本思路 171

8.3.2.2　相位校正环节 172

8.3.2.3　频率特性曲线法应用举例 177

8.3.3　尼柯尔斯图 180

8.3.3.1　霍尔图 180

8.3.3.2　幅相图（尼柯尔斯图） 182

8.3.3.3　尼柯尔斯图的应用 182

8.3.4　利用根轨迹法设计调节器 185

8.3.4.1　基本思路 185

8.3.4.2　用根轨迹法设计调节器的实例 185

8.4　分析设计法 190

8.4.1　闭环控制系统性能的给定 190

8.4.2　特鲁克萨-哥勒名（Truxal-Guillemin）方法 194

8.4.3.1　基本思路 199

8.4.3　代数设计法 199

8.4.3.2　关于闭环控制系统零点的讨论 200

8.4.3.3　综合方程组的解 202

8.4.3.4　方法的应用 204

8.5　定值和抗干扰性能的调节器设计 208

8.5.1　控制系统结构 208

8.5.2　调节器设计 209

8.5.2.1　当干扰作用于控制系统输入端时的调节器设计方法 209

8.5.2.2　当干扰作用于被控对象输出端时的调节器设计方法 211

8.5.3.1　当被控对象输入端有干扰时前置滤波器的设计 213

8.5.3　前置滤波器的设计 213

8.5.3.2　当被控对象输出端有干扰时前置滤波器的设计 214

8.5.4　方法的应用 216

8.5.4.1　干扰作用于被控对象输入端 216

8.5.4.2　干扰作用于被控对象输出端 217

8.6　设计多环控制系统以改善控制特性 220

8.6.1　问题的提出 220

8.6.2　干扰电路 220

8.6.2.1　干扰电路接到调节器上的方法 220

8.6.2.2　干扰电路接到控制量上的方法 221

8.6.3　利用辅助被控量的控制系统 223

8.6.4　多环控制 224

8.6.5　有辅助控制量的控制系统 226

9．利用典型信号辨识控制系统环节 228

9.1　理论和实验辨识 228

9.2　实验辨识任务的提法 228

9.3　时域辨识 231

9.3.1 由测量值确定过渡函数 231

9.3.1.1　输入信号为方波脉冲 231

9.3.1.2　输入信号为斜台函数 232

9.3.1.3　任意确定性输入信号 232

9.3.2　用过渡函数或权函数进行辨识的方法 233

9.3.2.1　拐点切线法和时间百分值法 234

9.3.2.2　其他方法 242

9.4　频域辨识 244

9.4.1　频率特性曲线辨识法 244

9.4.2　对已知频率特性曲线（奈奎斯特曲线）的近似辨识方法 245

9.5　时域和频域数值变换方法 248

9.5.1　基本理论关系 248

9.5.2　由阶跃响应计算频率特性 251

9.5.3　计算非阶跃测试信号频率特性的方法推广 253

9.5.4　从频率特性计算过渡函数 255

参考文献 258