基于MATLAB的线性控制系统分析与设计 原书第5版PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 控制系统简介 1

1.3 定义 9

1.4 历史背景 10

1.5 数字控制的发展 14

1.6 数学背景 16

1.7 工程控制问题 17

1.8 计算机知识 20

1.9 本书要点 20

参考文献 21

第2章 系统的方程描述 24

2.1 引言 24

2.2 电子元件与电路 25

2.3 状态的概念 29

2.4 传递函数和方框图 34

2.5 机械传动系统 35

2.6 模拟电路 40

2.7 旋转运动机械系统 41

2.8 齿轮传动的有效转动惯量和阻尼 43

2.9 热力学系统 45

2.10 液压线性执行器 47

2.11 液位系统 50

2.12 旋转功率放大器 52

2.13 直流伺服电动机 53

2.14 交流伺服电动机 55

2.15 拉格朗日方程 56

2.16 小结 59

参考文献 59

第3章 微分方程的解 61

3.1 引言 61

3.2 控制系统的标准输入 61

3.3 稳态响应：正弦输入 62

3.4 稳态响应：多项式输入 64

3.5 瞬态响应：经典法 66

3.6 时间常数的定义 69

3.7 二阶机械系统实例 69

3.8 二阶电系统实例 71

3.9 二阶系统的瞬态响应 72

3.10 时间常数的详细说明 75

3.11 CAD精确度检验（CADAC） 76

3.12 状态变量方程 77

3.13 特征值 78

3.14 状态转移矩阵的计算 79

3.15 状态方程式的完全解 81

3.16 小结 83

参考文献 83

第4章 拉普拉斯变换 85

4.1 引言 85

4.2 拉普拉斯变换的定义 85

4.3 简单函数拉普拉斯变换的推导 86

4.4 拉普拉斯变换理论 87

4.5 CAD精确度检测（CADAC） 90

4.6 拉普拉斯变换在微分方程中的应用 90

4.7 反变换 91

4.8 赫维赛德（Heaviside）部分分式展开定理 92

4.9 部分分式展开的MATLAB实例 98

4.10 求部分分式的捷径方法 100

4.11 部分分式系数的图形解释 102

4.12 通过零极点图确定频率响应 105

4.13 极点位置与稳定性 108

4.14 脉冲函数的拉普拉斯变换 108

4.15 脉冲激励的二阶系统 110

4.16 状态方程的解 111

4.17 传递函数矩阵的计算 113

4.18 MIMO系统的MATLAB m文件 114

4.19 小结 117

参考文献 118

第5章 系统的描述 120

5.1 引言 120

5.2 方框图 120

5.3 总传递函数的确定 124

5.4 标准的方框图术语 127

5.5 位置控制系统 129

5.6 仿真图 133

5.7 信号流图 136

5.8 状态转移信号流图 141

5.9 以传递函数求并联状态图 144

5.10 矩阵的对角化 146

5.11 利用状态变换求解状态方程 156

5.12 具有复数特征值的矩阵变换 158

5.13 将矩阵变换成友型 160

5.14 使用MATLAB求友矩阵 163

5.15 小结 165

参考文献 165

第6章 控制系统的特性 167

6.1 引言 167

6.2 劳斯稳定判据 167

6.3 数学和物理形式 172

6.4 反馈控制系统的类型 173

6.5 系统类型的分析 175

6.6 “2型”系统实例 180

6.7 稳态误差系数 181

6.8 CAD精确度检测（CADAC） 184

6.9 稳态误差系数的应用 185

6.10 非单位反馈系统 186

6.11 小结 187

参考文献 187

第7章 根轨迹 189

7.1 引言 189

7.2 特征方程根轨迹的绘制 190

7.3 根轨迹的定性分析 192

7.4 根轨迹的绘制流程 195

7.5 开环传递函数 195

7.6 控制比（C(s)/R（s））的极点 196

7.7 幅值和相角条件的应用 198

7.8 根轨迹图的几何特性（构造规则） 202

7.9 CAD精确度检测（CADAC） 210

7.10 根轨迹的实例 210

7.11 7.10节实例的MATLAB根轨迹 214

7.12 右半平面零点的根轨迹实例 217

7.13 性能指标 219

7.14 传递滞后 223

7.15 综合 225

7.16 负反馈系统根轨迹作图规则的总结 225

7.17 小结 227

参考文献 227

第8章 频率响应 228

8.1 引言 228

8.2 正弦函数和时间响应的相互关系 228

8.3 频率响应曲线 229

8.4 博德图 231

8.5 通用频率传递函数关系 232

8.6 博德图的绘制 233

8.7 绘制博德图的实例 238

8.8 利用MATLAB生成博德图 241

8.9 系统类型和增益与对数幅频特性的关系 242

8.10 CAD精确度检测（CADAC） 244

8.11 传递函数的实验确定方法 245

8.12 直接极坐标图 245

8.13 小结：直接极坐标图 251

8.14 奈奎斯特稳定判据 252

8.15 使用极坐标图的奈奎斯特判据应用实例 258

8.16 用于具有时间滞后系统的奈奎斯特稳定判据 262

8.17 相位裕度、增益裕度的定义及其与稳定性的关系 263

8.18 对数幅度、相位特性的稳定特性 265

8.19 利用尼克尔斯图确定系统的稳定性 266

8.20 小结 268

参考文献 269

第9章 基于频率响应的闭环跟踪特性 270

9.1 引言 270

9.2 直接极坐标图 270

9.3 简单二阶系统的Mm和ωm确定 271

9.4 正弦响应和时间响应的相互关系 274

9.5 复数平面上C(jω)/R（jω）的M（ω）和α（ω）圆（直接图） 275

9.6 在逆极坐标平面中的1/M和等α圆（单位反馈） 281

9.7 单位反馈系统对期望Mm值的增益调整：直接极坐标图 282

9.8 对数幅值-相位图上的等M和等α曲线 285

9.9 基于MATLAB的博德图和奈奎斯特图的绘制 287

9.10 利用对数幅值-相位图进行增益调节 290

9.11 零极点图与频域、时域响应的相互关系 292

9.12 小结 295

参考文献 296

第10章 根轨迹补偿设计 297

10.1 引言 297

10.2 瞬态响应：主导复数极点 299

10.3 附加的重要极点 303

10.4 根轨迹设计考虑 305

10.5 根轨迹的调整 307

10.6 CAD精确度检测（CADAC） 307

10.7 理想的积分串联补偿（PI控制器） 308

10.8 基于无源元器件的串联滞后补偿 309

10.9 理想的微分串联补偿（PD控制器） 314

10.10 无源元器件的超前补偿 315

10.11 通用的超前补偿装置设计 319

10.12 滞后-超前串联补偿设计 321

10.13 串联补偿器间的比较 323

10.14 PID控制器 325

10.15 反馈补偿引言 326

10.16 反馈补偿：设计步骤 327

10.17 简化的速率反馈补偿：设计方法 328

10.18 速率反馈设计 330

10.19 设计：输出的二阶微分反馈 334

10.20 反馈补偿设计的结果 336

10.21 速率反馈：主导复数极点的性能指标 336

10.22 小结 337

参考文献 338

第11章 频率响应补偿设计 339

11.1 反馈补偿设计的介绍 339

11.2 串联补偿器的选择 340

11.3 串联滞后补偿 343

11.4 设计实例：串联滞后补偿器 345

11.5 串联超前补偿器 349

11.6 设计实例：串联超前补偿器 351

11.7 串联滞后-超前补偿器 354

11.8 设计实例：串联滞后-超前补偿 356

11.9 采用原坐标图的反馈补偿设计 359

11.10 设计实例：反馈补偿（原坐标系） 360

11.11 应用指导：基本辅助环反馈补偿器 365

11.12 小结 366

参考文献 367

第12章 控制比建模 368

12.1 引言 368

12.2 期望的跟踪控制比建模 369

12.3 Guillemin-Truxal设计过程 372

12.4 抗干扰介绍 374

12.5 一个二阶抗干扰模型 375

12.6 SISO系统的抗干扰设计准则 376

12.7 抗干扰设计举例 381

12.8 抗干扰模型 384

12.9 小结 387

参考文献 387

第13章 设计：闭环零极点配置（状态变量反馈） 388

13.1 引言 388

13.2 可控性和可观测性 388

13.3 SISO系统的状态反馈 395

13.4 采用控制标准（相位变量）形的SISO系统的状态反馈设计 398

13.5 状态变量（物理变量）反馈 400

13.6 状态反馈的一般特性（采用相位变量） 403

13.7 状态变量反馈：稳态误差分析 406

13.8 稳态误差系数的应用 408

13.9 状态变量反馈：全极点控制对象 412

13.10 具有复数极点的控制对象 414

13.11 包含一个零点的补偿器 416

13.12 状态变量反馈：零极点控制对象 417

13.13 观测器 424

13.14 包含观测器的控制系统 426

13.15 小结 428

参考文献 428

第14章 参数敏感性和状态空间轨迹 430

14.1 引言 430

14.2 敏感性 430

14.3 灵敏度分析 433

14.4 灵敏度分析举例 436

14.5 参数灵敏度举例 440

14.6 可用状态 441

14.7 状态空间轨迹 444

14.8 线性化（雅可比矩阵） 447

14.9 小结 449

参考文献 450

第15章 采样数据控制系统 451

15.1 引言 451

15.2 采样 452

15.3 理想采样 454

15.4 Z变换定理 458

15.5 微分过程 459

15.5.1 一阶导数近似 459

15.5.2 二阶导数近似 459

15.5.3 r阶导数近似 460

15.6 z域合成（直接法） 460

15.6.1 z平面的稳定性 462

15.6.2 系统稳定性 462

15.6.3 系统分析 463

15.7 反向Z变换 465

15.8 零阶保持器 466

15.9 限制条件 468

15.10 稳定系统的稳定状态误差分析 468

15.10.1 稳定状态误差系数 470

15.10.2 稳态误差系数的估计 471

15.10.3 稳态误差系数的使用 472

15.11 采样数据控制系统的根轨迹分析 474

15.11.1 过程综览 474

15.11.2 负反馈的根轨迹构造规则 475

15.11.3 根轨迹设计实例 477

15.12 小结 483

参考文献 483

第16章 数字控制系统 484

16.1 引言 484

16.2 补偿频谱 484

16.3 双线性（TUSTIN）变换：s到z平面变换 485

16.3.1 双线性变换属性 486

16.3.2 双线性变换映射属性 488

16.4 z域到w域和w′域的变换 490

16.5 数字化（DIG）技术 492

16.6 数字化（DIG）设计技术 492

16.7 伪连续时间（PCT）控制系统 494

16.7.1 伪连续时间系统DIG技术介绍 494

16.7.2 16.7.1节的MATLAB设计 496

16.7.3 简单的PCT实例 501

16.7.4 采样数据控制系统实例 502

16.7.5 图16-1的PCT系统 505

16.7.6 PCT设计小结 505

16.8 数字控制系统的设计 507

16.9 直接（DIR）补偿器 507

16.10 PCT超前串联补偿 508

16.10.1 16.10节的MATLAB设计 511

16.11 PCT滞后补偿 514

16.11.1 16.11节的MATLAB设计 516

16.12 PCT滞后-超前补偿 520

16.12.1 16.12节的MATLAB设计 522

16.13 反馈补偿：跟踪 526

16.13.1 一般分析 527

16.13.2 反馈控制的DIG技术 530

16.14 控制无益的扰动 533

16.14.1 PCT DIG技术 534

16.15 扩展的数字反馈补偿器实例 536

16.15.1 PCT DIG实例 537

16.16 控制器的实现 538

16.17 小结 540

参考文献 541

附录 542

附录A 拉普拉斯变换对表 542

附录B 矩阵线性代数 545

B.1 引言 545

B.2 矩阵 545

B.3 转置 545

B.4 向量 545

B.5 矩阵的加和减 546

B.6 矩阵的乘法 546

B.7 一个矩阵由一个标量相乘 547

B.8 单元或单位矩阵 547

B.9 矩阵的微分 548

B.10 矩阵的积分 548

B.11 其他的矩阵运算和属性 548

B.12 归一化行列式 549

B.13 赫尔米特范式 551

B.14 通过行运算求矩阵的逆 552

B.15 特征多项式的计算 553

B.16 线性无关性 553

参考文献 554

附录C MATLAB和Simulink简介 555

C.1 引言 555

C.2 基本知识 555

C.2.1 矩阵 556

C.2.2 矩阵转置 557

C.2.3 值的范围 557

C.2.4 m文件和MAT文件 559

C.3 定义系统 560

C.3.1 传递函数模型 560

C.3.2 状态空间模型 561

C.4 分析 562

C.4.1 根轨迹 562

C.4.2 频率响应 564

C.5 仿真 566

C.5.1 Simulink 567

C.6 结果的实现 567

附录D TOTAL-PC CAD软件包 569

D.1 引言 569

D.2 TOTAL-PC综述 569

D.3 QFT CAD软件包 573

参考文献 574

附录E 习题 576

E.1 第2章 576

E.2 第3章 581

E.3 第4章 583

E.4 第5章 586

E.5 第6章 591

E.6 第7章 599

E.7 第8章 603

E.8 第9章 608

E.9 第10章 610

E.10 第11章 616

E.11 第12章 621

E.12 第13章 625

E.13 第14章 630

E.14 第15章 632

E.15 第16章 634

附录F 精选习题的答案 637

F.1 第2章 637

F.2 第3章 639

F.3 第4章 640

F.4 第5章 642

F.5 第6章 642

F.6 第7章 643

F.7 第8章 644

F.8 第9章 645

F.9 第10章 645

F.10 第11章 646

F.11 第12章 647

F.12 第13章 647

F.13 第14章 649

F.14 第15章 649

F.15 第16章 650