自动控制理论基础PDF电子书下载

第1章 自动控制理论及MATLAB简介 1

1.1 自动控制的历史 1

1.2 自动控制理论的基本概念 3

1.2.1 经典控制理论和现代控制理论 3

1.2.2 开环控制和闭环控制 4

1.2.3 自动控制举例 7

1.2.4 自动控制系统的分类 8

1.2.5 对自动控制系统的基本要求 9

1.3 控制系统MATLAB计算及仿真 10

1.3.1 控制系统计算机仿真的基本概念 10

1.3.2 MATLAB简介 10

1.3.3 控制系统MATLAB计算仿真的优秀性能 13

1.3.4 MATLAB开发控制系统流程 13

1.4 习题 14

第2章 控制系统的数学模型 15

2.1 系统微分方程的建立 15

2.2 传递函数 18

2.2.1 传递函数的基本概念和定义 18

2.2.2 传递函数的基本性质 19

2.2.3 传递函数的求取 20

2.3 典型环节的传递函数 21

2.3.1 比例环节 21

2.3.2 惯性环节 22

2.3.3 积分环节 23

2.3.4 微分环节 24

2.3.5 振荡环节 25

2.3.6 延迟环节 26

2.4 闭环控制系统的动态结构图 27

2.4.1 动态结构图的概念 27

2.4.2 动态结构图的建立 28

2.5 动态结构图的等效变换 29

2.5.1 动态结构图的等效变换 29

2.5.2 动态结构图的等效变换举例 32

2.5.3 梅逊公式 32

2.6 控制系统的传递函数 34

2.6.1 开环传递函数 34

2.6.2 给定输入作用下的闭环系统 35

2.6.3 扰动N（s）作用下的闭环传递函数 36

2.6.4 给定输入和扰动输入同时作用下的闭环系统 36

2.7 习题 36

第3章 时域分析法 41

3.1 典型输入信号与系统的性能指标 41

3.1.1 典型的初始状态 41

3.1.2 典型的输入信号 41

3.1.3 单位阶跃响应的性能指标 43

3.2 典型一阶系统的时域响应 44

3.2.1 典型一阶系统的数学模型 44

3.2.2 典型一阶系统的单位阶跃响应 44

3.2.3 典型一阶系统的单位斜坡响应 45

3.2.4 典型一阶系统的单位脉冲响应 46

3.2.5 三种响应间的关系 46

3.3 典型二阶系统的阶跃响应 47

3.3.1 典型二阶系统的数学模型 47

3.3.2 典型二阶系统的单位阶跃响应 48

3.3.3 欠阻尼二阶系统阶跃响应的性能指标 50

3.3.4 改善二阶系统动态特性的方法 53

3.4 高阶系统的时域响应 55

3.4.1 三阶系统的阶跃响应 55

3.4.2 高阶系统的动态性能分析 56

3.4.3 高阶系统的分析方法 56

3.5 控制系统的稳定性与代数判据 57

3.5.1 稳定的基本概念 57

3.5.2 系统稳定的条件 57

3.5.3 系统稳定的必要条件 59

3.5.4 劳斯（Routh）判据 60

3.5.5 劳斯判据的特殊情况 61

3.5.6 用劳斯判据分析系统参数与稳定性的关系 62

3.5.7 古尔维茨（Hurwitz）判据 63

3.6 稳态误差分析 64

3.6.1 误差与稳态误差的定义 64

3.6.2 给定输入下的稳态误差 65

3.6.3 振动作用下的稳态误差 68

3.6.4 改善系统稳态精度的方法 69

3.7 习题 70

第4章 根轨迹法 74

4.1 根轨迹的基本概念 74

4.2 根轨迹方程 75

4.2.1 根轨迹方程的定义 75

4.2.2 用试探法绘制根轨迹 76

4.3 根轨迹的绘制法则 77

4.4 广义根轨迹 88

4.4.1 参量根轨迹 88

4.4.2 延迟系统的根轨迹 89

4.4.3 正反馈回路和零度根轨迹 92

4.5 控制系统的根轨迹分析 94

4.5.1 闭环零、极点分布与系统性能的关系 94

4.5.2 闭环主导极点的分布与系统阶跃响应的关系 95

4.5.3 增加零、极点对根轨迹和系统动态性能的影响 98

4.6 习题 99

第5章 频率特性法 103

5.1 频率特性的基本概念 103

5.2 频率特性的几何表示法 106

5.2.1 极坐标图（奈奎斯特图） 106

5.2.2 对数坐标图（伯德图） 106

5.3 典型环节的频率特性 107

5.3.1 比例环节 107

5.3.2 积分环节 108

5.3.3 惯性环节 108

5.3.4 振荡环节 109

5.3.5 微分环节与比例微分环节 111

5.3.6 延迟环节 111

5.4 系统开环频率特性的绘制 112

5.4.1 开环对数频率特性曲线的绘制 112

5.4.2 开环幅相特性曲线的绘制 118

5.5 奈奎斯特稳定判据和对数频率稳定判据 119

5.5.1 奈奎斯特稳定判据 119

5.5.2 对数频率稳定判据 123

5.5.3 稳定裕量 124

5.6 开环频率特性与系统阶跃响应的关系 125

5.6.1 伯德定理 126

5.6.2 开环对数幅频特性的低频段与系统稳态误差的关系 126

5.6.3 开环频率特性的中频段与系统动态性能的关系 126

5.6.4 高频段的作用 129

5.7 闭环系统的频域特性分析 130

5.7.1 闭环系统的频域性能指标 130

5.7.2 闭环频率特性的求法 134

5.7.3 等M圆 135

5.7.4 等N圆（等α圆） 136

5.7.5 利用等M圆和等N圆线图求闭环频率特性 137

5.8 习题 138

第6章 控制系统的校正 142

6.1 概述 142

6.1.1 系统的性能指标 142

6.1.2 校正的一般概念 143

6.1.3 控制系统的校正方式 144

6.2 PID控制规律分析 145

6.2.1 比例（P）控制规律 145

6.2.2 比例加微分（PD）控制规律 145

6.2.3 积分（I）控制规律 147

6.2.4 比例积分（PI）控制规律 147

6.2.5 比例加积分加微分（PID）控制规律 149

6.3 串联校正 149

6.3.1 常用校正装置及其特性 149

6.3.2 频率特性法在系统校正中的应用 153

6.4 反馈校正 160

6.4.1 利用反馈改变局部结构、参数 160

6.4.2 利用反馈减弱参数变化对系统性能的影响 162

6.5 复合校正 164

6.5.1 附加前馈校正的复合控制 164

6.5.2 附加干扰补偿校正的复合控制 166

6.6 控制系统的“最佳”模型设计方法 167

6.6.1 开环“最佳”控制模型的选择 167

6.6.2 控制系统模型的近似处理 169

6.6.3 基于二阶“最佳”模型设计方法的应用 171

6.6.4 基于三阶“最佳”模型设计方法的应用 173

6.6.5 说明 175

6.7 习题 176

第7章 非线性系统 179

7.1 常见的非线性特性 179

7.1.1 死区 179

7.1.2 饱和 180

7.1.3 间隙 180

7.1.4 继电特性 181

7.2 非线性系统的特点 182

7.3 典型非线性特性的描述函数 183

7.3.1 描述函数的定义 183

7.3.2 几种典型的非线性特性的描述函数 185

7.4 用描述函数法分析非线性系统 189

7.4.1 非线性系统的稳定分析 189

7.4.2 自激振荡的稳定性 190

7.4.3 用描述函数法分析非线性系统 190

7.5 相平面法基础 192

7.5.1 相平面图的绘制 192

7.5.2 相平面图的性质 194

7.5.3 奇点与极限环 195

7.5.4 用相平面法分析非线性系统 196

7.6 习题 199

第8章 现代控制理论基础 202

8.1 状态变量及状态空间表达式 202

8.1.1 状态空间法的提出 202

8.1.2 状态与状态空间表达式 203

8.2 状态空间表达式的建立 205

8.2.1 由系统运动规律建立状态空间表达式 205

8.2.2 由系统的动态结构图建立状态空间表达式 206

8.2.3 由系统的微分方程或传递函数建立状态空间表达式 209

8.3 状态方程的线性变换 217

8.3.1 矩阵的特征方程、特征值和特征向量 218

8.3.2 变换矩阵P的求取 219

8.4 线性定常系统状态方程的解 224

8.4.1 齐次状态方程的解 224

8.4.2 线性定常系统的状态转移矩阵 225

8.4.3 非齐次状态方程的解 226

8.5 线性系统的可控性和可观测性 228

8.5.1 线性定常系统的可控性 229

8.5.2 线性定常系统的可观测性 233

8.5.3 对偶原理 236

8.5.4 可控性、可观测性与传递函数的关系 237

8.6 习题 239

第9章 采样控制系统 246

9.1 采样控制系统的基本概念 246

9.2 连续信号的采样与复现 247

9.2.1 采样过程 247

9.2.2 信号保持 250

9.3 Z变换与Z反变换 250

9.3.1 Z变换的定义 251

9.3.2 Z变换的基本定理 254

9.3.3 Z反变换 257

9.4 采样控制系统的数学模型 259

9.4.1 线性常系数差分方程及其求解 259

9.4.2 脉冲传递函数的基本概念 260

9.4.3 采样控制系统脉冲传递函数的求取 263

9.5 采样控制系统的稳定性与稳态误差 268

9.5.1 采样控制系统稳定性分析 268

9.5.2 采样控制系统稳态误差计算 271

9.6 习题 272

第10章 计算机辅助分析与设计 275

10.1 MATLAB语言简介 275

10.1.1 进入MATLAB环境和执行MATLAB的命令与程序 275

10.1.2 Simulink软件包 275

10.2 建立动态系统的数学模型 276

10.2.1 由传递函数描述的系统模型 276

10.2.2 由状态方程描述的系统模型 277

10.2.3 不同模型之间的相互转换 278

10.2.4 建立复杂系统的数学模型 279

10.3 控制系统的时域分析 280

10.3.1 稳定性分析 280

10.3.2 求解时域响应 282

10.3.3 系统的稳态误差 285

10.4 控制系统的根轨迹分析 285

10.4.1 根轨迹的绘制 285

10.4.2 基于根轨迹的系统设计 286

10.5 控制系统的频域分析 288

10.5.1 Bode图的绘制 288

10.5.2 Nyquist曲线的绘制 288

10.5.3 求解幅值裕量和相位裕量 289

10.5.4 基于频率特性的系统串联校正 290

10.6 非线性环节的仿真 291

10.7 状态空间分析 293

10.7.1 矩阵指数及状态方程的解 293

10.7.2 系统的可控性与可观测性判别 294

10.8 习题 296

参考文献 298