自动控制原理PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 自动控制系统的构成 2

1.3 自动控制的基本原理 4

1.3.1 反馈控制 4

1.3.2 顺馈控制 5

1.4 控制系统的分类 6

1.4.1 恒值调节系统和随动系统 6

1.4.2 线性系统和非线性系统 6

1.4.4 连续系统和离散系统 7

1.4.3 定常系统和时变系统 7

1.5 控制系统的性能和典型测试信号 8

1.5.1 对控制系统的基本要求 8

1.5.2 控制系统中常用的典型测试信号 9

习题 11

第2章 控制系统的输入－输出模型 13

2.1 引言 13

2.2 列写输入－输出运动方程 14

2.2.1 机械系统 14

2.2.2 电路系统 18

2.2.3 机电系统 19

2.2.4 液位系统 20

2.3 传递函数与系统框图 22

2.3.1 传递函数 22

2.3.2 方框图及系统的连接 25

2.3.3 典型环节的传递函数 29

2.3.4 方框图化简 34

2.4 信号流图与梅森公式 37

2.4.1 信号流图 37

2.4.2 梅森公式 40

2.5 频率特性函数 42

2.5.1 频率特性函数的定义 42

2.5.2 频率特性的图示方法 44

2.5.3 典型环节的频率特性 49

2.5.4 开环系统频率特性图的绘制 57

2.6 采样控制系统的数学描述 64

2.6.1 采样控制系统 64

2.6.2 信号采样与恢复 66

2.6.3 采样系统的差分方程描述 70

2.6.4 脉冲传递函数 72

2.7 利用Matlab分析控制系统输入－输出模型 78

习题 82

第3章 控制系统的状态空间模型 89

3.1 状态与状态空间 89

3.2 状态方程和输出方程 91

3.3 状态空间模型与输入－输出模型之间的关系 94

3.3.1 由状态空间模型推导输入－输出模型 94

3.3.2 由输入－输出模型建立状态空间模型 95

3.4 利用状态空间模型求解线性定常系统 102

3.4.1 线性定常系统状态方程的零输入响应 102

3.4.2 线性定常系统非齐次状态方程的解 104

3.4.3 状态转移矩阵的计算 106

3.5 离散时间状态空间模型 115

3.5.1 采样系统的状态空间模型 115

3.5.2 利用状态空间方程求解线性离散系统 117

3.5.3 离散系统的状态转移矩阵及计算 119

3.6 利用Matlab分析状态空间模型 122

习题 124

第4章 控制系统的稳定性分析 128

4.1 稳定性的概念和定义 128

4.2 线性定常系统稳定的充分必要条件 130

4.2.1 状态空间模型 130

4.2.2 输入－输出模型 132

4.2.3 离散时间控制系统 135

4.3 系统稳定性的代数判据 137

4.3.1 连续时间系统稳定性的代数判据 137

4.3.2 劳斯－霍尔维茨判据的应用 143

4.3.3 离散时间系统稳定性的代数判据 146

4.4 根轨迹图及系统稳定性分析 152

4.4.1 根轨迹图的基本概念 152

4.4.2 幅值条件和幅角条件 153

4.4.3 绘制根轨迹的基本法则 156

4.4.4 根轨迹图的绘制及系统稳定性分析 166

4.5 奈奎斯特稳定性判据 172

4.5.1 幅角定理 173

4.5.2 奈奎斯特稳定性判据 177

4.5.3 开环系统含有积分环节时奈奎斯特稳定性判据的应用 181

4.5.4 奈奎斯特稳定性判据在伯德图中的表示形式 185

4.5.5 稳定裕度 187

4.6 李雅普诺夫稳定性分析 190

4.6.1 能量函数与正定函数 190

4.6.2 李雅普诺夫第二方法 192

4.6.3 线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析 195

4.7 利用Matlab进行稳定性绘图分析 197

习题 200

第5章 控制系统的时域运动分析 206

5.1 控制系统的时域响应 206

5.1.1 连续时间系统输出响应 206

5.1.2 离散时间系统输出响应 210

5.2 控制系统瞬态性能分析 211

5.2.1 瞬态性能指标的定义 212

5.2.2 一阶系统瞬态性能分析 213

5.2.3 典型二阶系统瞬态性能分析 216

5.2.4 高阶系统瞬态性能分析 238

5.3 控制系统稳态性能分析 240

5.3.1 控制系统的误差与稳态误差 240

5.3.2 误差的数学模型 242

5.3.3 稳态误差分析与静态误差系数 243

5.3.4 控制系统的动态误差 251

5.3.5 扰动输入作用下的稳态误差 255

5.3.6 减小或消除稳态误差的措施 258

5.3.7 离散时间系统的稳态误差 259

5.4 利用Matlab进行时域分析 263

5.4.1 Matlab时域响应命令及其应用 264

5.4.2 用Simulink进行系统仿真 267

习题 275

第6章 系统校正方法 279

6.1 引言 279

6.2 系统校正的根轨迹法 282

6.2.1 增加零、极点对根轨迹的影响 282

6.2.2 根轨迹校正举例 285

6.2.3 校正装置的实现 290

6.3.1 开环频率特性与时域性能指标间的关系 292

6.3 系统校正的频率特性法 292

6.3.2 频率特性法校正举例 295

6.4 基本控制规律分析 308

6.4.1 比例控制规律 308

6.4.2 积分控制规律 310

6.4.3 比例加积分控制规律 310

6.4.4 比例加微分控制规律 311

6.4.5 比例加积分加微分控制规律 313

6.4.6 PID控制器的参数调整 314

6.5 局部反馈校正 317

6.6.2 离散系统校正的根轨迹法 321

6.6.1 概述 321

6.6 离散系统的数字校正 321

6.6.3 离散系统校正的频域法 324

6.6.4 离散系统的最少拍校正法 327

习题 334

第7章 线性控制系统的状态空间分析与设计 337

7.1 特征值规范型 337

7.1.1 对角线规范型 337

7.1.2 若尔当规范型 342

7.2 状态能控性 347

7.2.1 状态能控性定义 347

7.2.2 能控性判据 349

7.3.1 状态能观性定义 356

7.3 状态能观性 356

7.3.2 能观性判据 357

7.3.3 对偶性原理 360

7.4 离散时间系统的能控性和能观性 361

7.5 控制系统的结构分解 362

7.5.1 按能控性分解 362

7.5.2 按能观性分解 369

7.5.3 按能控性和能观性分解 372

7.6 能控规范型和能观规范型 373

7.6.1 能控规范型 373

7.6.2 能观规范型 376

7.6.3 传递函数中零极点对消的影响 377

7.7 状态反馈与输出反馈 378

7.7.1 状态反馈和输出反馈的概念 378

7.7.2 状态反馈和输出反馈对系统能控性和能观性的影响 380

7.8 闭环系统的极点配置 381

7.8.1 极点配置问题 381

7.8.2 极点配置定理 384

7.8.3 基于输出反馈的极点配置 388

7.8.4 系统镇定 389

7.9 状态观测器设计 393

7.9.1 全维状态观测器 393

7.9.2 降维观测器 397

7.10 带有状态观测器的反馈控制系统 401

7.11 利用Matlab进行状态空间分析和设计 406

习题 408

第8章 非线性控制系统 414

8.1 非线性控制系统概述 414

8.1.1 典型的非线性特性及其对系统特性的影响 414

8.1.2 非线性系统的特点 417

8.1.3 非线性系统的分析方法 419

8.2 描述函数法 420

8.2.1 描述函数法的一般原理 420

8.2.2 典型非线性环节的描述函数 422

8.2.3 非线性系统的描述函数法分析 432

8.3 相平面法 441

8.3.1 相平面法的有关概念 441

8.3.2 相平面图的绘制方法 444

8.3.3 线性系统的相轨迹 448

8.3.4 非线性系统相平面分析 454

8.4 利用非线性特性改善系统的性能 465

8.5 非线性系统的Matlab仿真分析 468

习题 472

参考文献 478

附录 Z变换 479