控制工程及信号处理基础PDF电子书下载

第1章 绪论 1

信号与系统 1

信号与信号处理 1

几种类别的信号 1

信号的分析与综合 2

系统 2

系统的数学模型 4

信号与系统理论 4

系统的分类 6

定常系统与时变系统 6

线性系统与非线性系统 6

确定性系统与随机信号系统 8

即时系统与动态系统 8

可逆系统与不可逆系统 9

连续时间系统与离散时间系统 9

单输入单输出系统与多输入多输出系统 9

一维信号系统与多维信号系统 10

非线性特性的小偏差线性化 10

自动控制工程与自动控制理论 11

自动控制工程 11

自动控制理论 13

反馈控制系统及其组成 13

开环控制 15

前馈补偿和复合控制 15

基本控制方式 16

恒值系统与随动系统 16

电力传动系统、过程控制系统与液压控制系统 17

控制理论的回顾 17

自动控制工程与信号处理的关系 18

本书概要 19

学习目的和方法 19

本章小结 20

习题 20

第2章 连续信号的频域分析 24

周期信号的傅里叶级数 24

三角形式的傅里叶级数 24

指数形式的傅里叶级数 26

傅里叶积分与傅里叶变换 28

傅氏积分与傅氏变换的概念 28

信号的频谱密度与频域分析 28

单位脉冲函数8（t）的复习 30

几种重要信号的频谱 30

周期信号的傅氏变换 32

傅氏变换表 33

傅氏变换的基本性质 33

拉普拉斯变换 34

双边拉氏变换 34

单边拉氏变换 34

单边拉氏变换的基本性质 36

拉氏反变换 37

拉氏变换的应用 37

本章小结 37

习题 37

第3章 线性连续系统的时域分析 38

线性常系数常微分方程及其解 38

线性常系数常微分方程的经典解 38

用拉氏变换法解初值问题 39

零输入响应与零状态响应 40

线性系统定义的修正 41

响应的暂态分量与稳态分量 42

线性定常系统的脉冲响应函数与卷积 43

脉冲响应函数和卷积 43

脉冲响应函数的数值求法 45

因果系统 45

小结 45

因果线性定常系统的传递函数 46

传递函数的定义 46

传递函数与微分方程的关系 46

关于传递函数的一些规律 47

延迟环节 48

系统的静态数学模型 48

动态结构图及其等效变换 49

动态结构图 49

结构图的等效变换 50

信号流图与梅逊公式 53

信号流图 53

梅逊公式 53

实际系统的结构图 55

引言 55

机械系统 56

电气系统 57

液位系统 61

热力系统 62

小结 63

BIBO稳定性 63

BIBO稳定的概念 63

线性定常系统BIBO稳定的充要条件 65

传递函数BIBO稳定的充要条件 66

零输入稳定性 67

零输入稳定性的概念 67

零输入稳定的一些实际情况 69

零输入稳定的充要条件 70

微分环节的零输入稳定性 70

BIBO稳定性和零输入稳定性的区别和联系 70

临界不稳定 71

不稳定系统的全响应 71

代数稳定判据 71

引言 71

传递函数稳定的必要条件 72

赫尔维茨判据 72

劳斯判据 73

代数稳定判据应用于控制系统 74

本章小结 75

习题 75

第4章 控制系统的时域分析与校正 80

控制系统的时域性能指标 80

典型输入信号 80

单位阶跃扰动下的动态性能指标 81

阶跃扰动时的误差和稳态误差 82

单位阶跃响应的代表性 83

阶跃给定下的动态性能指标 83

阶跃给定下的稳态误差 84

抗扰性能与跟随性能的关系 85

一阶系统的性能计算 85

一阶系统的实例 85

一阶系统的单位阶跃响应 86

一阶系统的脉冲响应和斜坡响应 87

二阶系统的性能计算 88

典型二阶系统 88

二阶系统的单位阶跃响应 88

高阶系统动态性能的计算 92

高阶系统的阶跃响应 92

高阶系统暂态响应的特点 93

用终值定理计算稳态误差 95

引言 95

用终值定理计算给定稳态误差 95

用终值定理计算扰动稳态误差 100

反馈控制系统的根轨迹 101

由开环传递函数分析闭环动态性能 101

根轨迹图 101

幅值条件和相角条件 102

徒手绘制根轨迹的基本法则 104

根轨迹法分析与校正 109

由开环传递函数分析闭环性能 109

开环系统中的其他参数对闭环性能的影响 109

校正 110

串联超前校正 112

串联滞后校正 115

串联滞后-超前校正 117

PID调节器 117

什么是PID调节器 117

PID调节作用的时域解释 118

PID调节器参数的实验整定 119

前馈补偿 119

按扰动的前馈补偿 119

按给定的前馈补偿 120

本章小结 122

习题 123

第5章 线性连续系统的频域分析 126

线性定常系统的频率特性函数 126

频率特性函数 126

稳定系统的正弦稳态响应 127

理想滤波器 129

频率特性的实验测定和频域分析法 131

几点补充 131

频率域滤波原理 131

频率域滤波的概念 131

无失真传输的条件 133

线性相位滤波器 134

非因果系统与因果系统 135

非因果系统 135

脉冲响应函数、传递函数与频率特性的适用范围 136

巴特沃斯滤波器 136

巴特沃斯低通滤波器 137

巴特沃斯高通滤波器 138

对数频率特性曲线 138

对数幅频特性曲线 138

对数相频特性曲线 139

典型环节的对数频率特性曲线 140

串联系统的波德图 142

一般规律 142

串联系统波德图的简捷画法 143

最小相位系统的波德图 145

从实验的频率特性曲线求传递函数 146

幅相频率特性曲线 147

幅相频率特性曲线的画法 147

串联系统的幅相频率特性曲线 148

最小相位系统幅相频率特性曲线的特点 148

本章小结 150

习题 150

第6章 控制系统的频域分析与校正 153

闭环频率特性与时域动态性能的关系 153

闭环频率特性 153

二阶系统 153

高阶系统 154

奈奎斯特稳定判据 155

由开环频率特性分析闭环动态性能 155

开环无纯虚数极点时的奈氏判据 156

开环串联有积分环节时的奈氏判据 158

开环没有右半开平面上的极点的情况 158

开环串联有延迟环节时的奈氏判据 159

已知开环波德图时的稳定性判断 160

最小相位系统的稳定裕量 160

定义 160

在开环波德图上看稳定裕量 161

相位裕量的计算 161

开环对数幅频曲线与稳定性的关系 162

开环传递函数的简化 164

小结 164

开环频率特性与其他闭环性能的关系 164

单位反馈的二阶系统 164

高阶系统 165

由开环频率特性曲线绘制闭环频率特性曲线 166

开环对数幅频曲线与稳态精度的关系 166

开环对数幅频曲线的高频部分 167

串联超前校正 167

频率法校正 167

超前校正装置 167

用波德图说明串联超前校正原理 168

用波德图进行超前校正的步骤 169

串联滞后校正 172

滞后校正原理 172

滞后校正步骤 173

串联滞后-超前校正和PID调节器 175

串联滞后-超前校正 175

PID调节器 175

频率法反馈校正 176

反馈结构的基本特点 176

反馈校正与反馈结构的优点 177

反馈校正对控制性能的改善 178

试凑法的小结 178

本章小结 179

习题 179

第7章 离散信号的频域分析 181

离散信号与离散系统 181

实际信号的谱分析 181

数字滤波 181

计算机控制系统 183

数字传输电话 184

离散信号与离散系统 184

序列的傅里叶积分与频谱函数 185

序列傅氏变换 185

举例 186

连续信号与其采样序列频谱的关系 187

采样定理 188

序列傅氏变换的性质 189

序列的z变换 189

序列的双边z变换 190

因果序列的单边z变换 191

z变换表 192

z反变换 192

定义 192

z反变换的方法 193

z变换的性质 194

本章小结 197

习题 197

第8章 线性离散系统的分析与综合 199

常系数线性差分方程及其解 199

微分方程的差分近似 199

常系数线性差分方程 200

差分方程初值问题的迭代解法 201

非因果系统和因果系统 201

因果线性定常差分方程的初值问题 201

差分方程初值问题的经典解 202

z变换法解差分方程的初值问题 203

脉冲响应函数与卷积 204

线性定常离散系统的z传递函数 205

z传递函数的定义 205

因果系统z传递函数与差分方程的关系 206

静态数学模型 207

动态结构图及其等效变换 207

零阶保持器及其后面连续系统的离散化 207

闭环采样系统的z传递函数 209

离散系统的稳定性 210

稳定性的定义 210

稳定的充分必要条件 211

用？变换判断因果系统z传递函数的稳定性 212

采样控制系统的时域性能分析 213

用z变换法求时域响应的例 213

z传递函数与暂态响应的关系 214

最少拍系统 216

采样控制系统的稳态误差 216

根轨迹法 217

线性定常离散系统的频率特性 217

频率特性的定义频率特性与z传递函数的 217

关系 218

正弦稳态响应 218

数字滤波原理和FIR滤波器 219

数字滤波的目的和思路 219

IIR滤波器与FIR滤波器 220

FIR滤波器的稳定性 221

FIR滤波器设计的时窗法 221

小结 223

IIR滤波器 223

IIR滤波器的特点 223

脉冲响应不变法设计IIR滤波器 224

双线性变换法设计IIR滤波器 225

小结 228

采样控制系统的连续系统等效分析与校正 228

采样控制系统频域分析的困难性 228

计算机控制系统的特点和对策 228

零阶保持器的延迟作用 229

连续系统等效分析法 229

连续系统等效校正法 230

采样控制系统的离散化校正 231

引言 231

闭环z传递函数的期望主导极点 231

根轨迹法校正 232

本章小结 233

习题 234

第9章 系统的状态空间分析与综合 236

多输入多输出系统 236

多输入多输出系统的概念 236

线性定常系统的传递函数矩阵 236

传递函数矩阵的解耦 238

脉冲响应函数矩阵与卷积 241

状态方程 242

状态方程的概念 242

状态变量图 244

最小实现 245

状态变量的另一种定义 245

由实际系统列写动态方程 245

非线性时变系统的动态方程 248

状态变换 248

状态变换的概念 248

化动态方程为对角标准形 249

化动态方程为若当标准形 252

动态方程与传递函数矩阵的关系 253

由动态方程求传递函数矩阵 253

系统矩阵特征值与传递函数极点的关系，输出的稳定性 255

单输入单输出系统的能控形实现 256

传递函数的分子分母阶次相同的情况 258

单输入单输出系统的能观形实现 259

单输入单输出系统的特征值标准形实现 260

小结 261

状态方程的解 261

状态方程的初值问题 261

矩阵指数 261

齐次状态方程的解 262

直接法计算eAt 262

拉氏变换法计算eAt 262

状态变量的稳定性 263

状态转移矩阵 264

矩阵指数（状态转移矩阵）的性质 264

非齐次状态方程的解 266

系统的状态能控性 268

引言 268

状态能控性的概念 269

凯莱-哈密顿定理 269

线性定常系统的能控性判据 270

系统矩阵是对角阵时的能控性判据 273

系统矩阵是若当阵时的能控性判据 274

能控标准形的能控性 274

化状态方程为能控标准形 275

输出能控性 276

基于状态反馈设计控制器 277

问题的提出 277

单输入多输出系统的状态反馈 277

举例 279

小结 281

系统的状态能观测性 282

状态观测问题 282

状态的能观测性 283

线性定常系统的能观性判据 283

系统矩阵是对角阵时的能观性判据 285

系统矩阵是若当阵时的能观性判据 285

能观标准形的能观性 286

对偶原理 286

化状态方程为能观标准形 287

状态观测器 287

状态观测器的概念 287

举例 288

降阶观测器及卡尔曼滤波器 291

带状态观测器的状态反馈系统 291

系统的结构分解与最小实现 292

系统的结构分解 292

单输入单输出系统传递函数的零极点对消问题 294

传递函数矩阵的零极点对消问题 295

最小实现与能控能观性的关系 296

最小实现之间的关系 297

离散系统的状态空间分析 297

离散系统的动态方程 298

离散系统的状态变量图 298

由动态方程求z传递函数矩阵 299

单输入单输出系统的实现 299

连续状态方程的离散化 299

线性定常离散状态方程的解 301

离散系统状态变量的稳定性 303

状态能控性和能观测性 303

离散状态观测器 303

采样控制系统的综合 303

本章小结 304

习题 304

第10章 非线性系统与李雅普诺夫稳定性 309

控制系统中的非线性 309

连续的非线性 309

分段线性的非线性 309

非线性系统及其特点 312

本章概要 313

李雅普诺夫稳定性 314

李雅普诺夫运动稳定性 314

系统的平衡状态 316

平衡状态的稳定性 316

运动的渐近稳定性 318

运动稳定性与平衡状态稳定性的关系 318

李雅普诺夫第一法 318

把状态方程在平衡状态附近线性化 319

李氏第一法 320

李雅普诺夫第二法 320

标量函数的正负 320

李氏第二法的基本定理 321

大范围渐近稳定性的判断 323

小结 323

二阶自治系统的相平面分析 324

相平面图 324

相轨迹的特点 324

画相平面图的等斜线法 326

线性定常系统奇点的类型 327

非线性系统的相平面分析 328

用描述函数法讨论非线性系统的自振荡问题 330

引言 330

一类非线性系统的正弦响应 331

描述函数 332

反馈系统自振荡的必要条件 333

基波近似下奈氏判据的推广 334

基波近似下的自振荡分析 334

小结 336

本章小结 336

习题 336

第11章 MATLAB举例 338

MATLAB概述 338

MATLAB的特点 338

MATLAB的工作环境 339

与Word的接口 340

基本语法 341

变量 341

矩阵的赋值 341

矩阵的初等运算 344

元素群运算 346

关系运算与逻辑运算 346

流程控制 347

基本绘图方法 348

M文件 350

连续信号的频域分析 351

周期信号傅氏级数的演示 351

信号的频谱 351

线性连续系统的时域分析 353

传递函数的建立和连接 353

由传递函数求单位阶跃响应 354

由传递函数求单位斜坡响应 354

由传递函数求脉冲响应函数 355

由传递函数求任意输入的零状态响应 356

多项式的根和稳定性判断 356

反馈系统的根轨迹 357

一般画法 357

零-极-增益模型 357

求指定根的根轨迹增益 358

连续系统的频域分析 358

由传递函数求频率特性 358

由传递函数画波德图 360

由传递函数画奈奎斯特图 361

正弦稳态响应的演示 362

频率域滤波原理 362

由传递函数求稳定裕量 363

离散信号与系统 364

离散信号的频谱分析 364

迭代法解差分方程求全响应 364

由z传递函数求脉冲响应函数 365

用“控制系统工具箱”中的函数求响应 365

由z传递函数求频率特性 366

数字滤波原理 367

连续系统的离散化 368

状态空间分析 368

传递函数矩阵的模型 368

传递函数矩阵的响应 369

传递函数矩阵的实现 369

直接建立动态方程 370

由动态方程求传递函数矩阵 371

特征值与特征向量 371

矩阵指数 372

状态空间模型的响应 372

能控性阵和能观性阵的计算 374

矩阵的秩 374

离散系统和采样系统 374

带有延迟环节的系统 375

Simulink简述 375

延迟环节 375

非线性系统 376

继电特性 376

自振荡现象的演示 377

附录A傅里叶变换简表 378

附录B拉普拉斯变换简表 379

附录C本书所用的MATLAB函数 380

部分习题参考答案 381

参考文献 397