过程控制理论基础PDF电子书下载

1 绪论 1

1-1 控制理论的发展概况 1

1-2 自动控制系统一般概念 2

1-2-1 自动控制系统的组成 2

1-2-2 有关名词及意义 3

1-2-3 系统运行的基本要求 4

1-3 自动控制系统的分类 5

1-3-1 按系统输出信号对操纵变量影响区分 5

1-3-2 按系统补偿干扰的方法区分 5

1-3-3 按给定值的特点区分 6

1-3-4 按系统的复杂程度区分 7

2-1-1 蒸汽直接加热器 9

2-1 简单被控对象的数学模型 9

2 控制系统的数学模型 9

2-1-2 简单容器 11

2-1-3 物料混合槽 16

2-1-4 数学模型的无因次化 17

2-2 被控对象的状态方程模型 18

2-2-1 夹套式加热器 18

2-2-2 串联液体贮槽 19

2-2-3 直流电机 21

2-3 状态方程的列写方法及一般形式 22

2-3-1 状态变量 22

2-3-2 状态方程一般形式 24

2-4 分布参数和纯滞后 26

2-4-1 分布参数物理系统 26

2-4-2 纯滞后 27

2-5 系统其他环节的数学模型 28

2-5-1 测量元件 28

2-5-2 工业调节器 30

2-5-3 执行机构调节阀 31

2-6 传递函数和信号流图 32

2-6-1 传递函数 32

2-6-2 方块图 33

2-6-3 方块图运算法则 36

2-6-4 复杂方块图的化简 37

2-6-5 多变量系统的传递矩阵 40

2-6-6 信号流图 43

2-7 数学模型间的关系 46

2-7-1 由微分方程式求状态方程式 46

2-7-2 由状态方程求传递函数 49

2-7-3 状态变换和状态变换后特征值的不变性 51

2-7-4 由传递函数求状态空间表达式——实现问题 54

2-7-5 由系统方块图直接求系统状态空间表达式 58

习题 59

3 控制系统的时域分析方法 64

3-1 控制系统的时域特性与分析 64

3-1-1 典型试验信号 64

3-1-2 控制系统的暂态响应 65

3-1-3 控制系统暂态响应的性能指标 76

3-2 控制系统的稳态响应与误差分析 85

3-2-1 稳态误差与系统分类 85

3-2-2 给定稳态误差 86

3-2-3 扰动稳态误差 87

3-3-1 劳斯判据 88

3-3 控制系统的稳定性与劳斯判据 88

3-3-2 特殊情况的处理 89

3-3-3 用劳斯判据分析系统参数对稳定性的影响 91

3-3-4 状态空间描述下系统稳定性的判定 92

3-4 控制系统的状态方程求解与分析 93

3-4-1 线性、定常、齐次状态方程的解 93

3-4-2 矩阵指数函数 94

3-4-3 状态转移矩阵 100

3-4-4 线性、定常、非齐次状态方程的解 101

3-4-5 状态空间模型下的系统输出响应 103

3-5 常规控制系统的特性分析 104

3-5-1 常规调节器的调节规律 105

3-5-2 调节器参数对过渡过程的影响 107

3-6 控制系统的计算机求解 109

3-6-1 数学模型 110

3-6-2 微分方程的数值解法 110

3-6-3 控制系统的数值解法 114

习题 115

4 控制系统的根轨迹分析方法 118

4-1 系统动态响应与S平面上特征根分布的关系 118

4-1-1 系统的稳定性与S平面上闭环特征根的位置 118

4-1-2 标准二阶系统的动态响应指标与S平面上特征根分布的关系 119

4-1-3 高阶系统的动态响应与近似分析 122

4-2 根轨迹及其作图方法 124

4-2-1 根轨迹的基本概念 124

4-2-2 根轨迹的性质及其作图规则 125

4-3 控制系统的一般分析 138

4-3-1 开环极点的变化对系统的影响 139

4-3-2 开环零点的改变对系统的影响 142

4-3-3 比例积分(PI)控制作用的分析 145

4-4 根轨迹方法的推广 146

4-4-1 参变量根轨迹分析方法 146

4-4-2 多回路系统分析与多参数根轨迹方法 150

4-4-3 正反馈系统的根轨迹分析 152

4-4-4 带纯滞后系统的根轨迹分析 154

4-5 根轨迹方法在常规控制系统设计中的应用 158

4-5-1 PID控制参数的设计 159

4-5-2 从根轨迹求解系统的动态响应及质量指标 162

习题 165

5 频率特性分析法 168

5-1 频率特性 168

5-1-1 频率特性和传递函数的关系 169

5-1-2 多变量系统频率特性 171

5-2 时域性能指标和频率特性的关系 171

5-2-1 频域性能指标 171

5-2-2 二阶系统频域指标和时域指标的关系 172

5-3 频率特性的图示法 175

5-3-1 极坐标图(或幅相特性图) 175

5-3-2 对数坐标图或帕德(Bode)图 179

5-3-3 对数幅相特性图 189

5-3-4 频率特性的实验测定 189

5-4 稳定性分析 190

5-4-1 数学基础——幅角原理 190

5-4-2 奈奎斯特稳定判据 192

5-4-3 一些特殊场合的奈奎斯特稳定判据应用 195

5-4-5 逆幅相特性稳定性分析法 198

5-4-4 开环系统增加超前环节和滞后环节时对稳定性的影响 198

5-4-6 多环系统的稳定性分析 200

5-4-7 在对数坐标上的奈氏稳定判据 202

5-5 稳定裕度及其应用 203

5-5-1 稳定裕度概念 203

5-5-2 稳定裕度和时域指标的关系 204

5-5-3 调节器调节规律和稳定裕度的关系 205

5-5-4 广义对象特性变化对稳定裕度的影响 206

5-6 闭环频率特性 208

5-6-1 闭环频率特性及其绘制 208

5-6-2 非单位反馈系统和定值系统闭环频率特性 214

5-6-3 闭环频率特性和动态指标的关系 215

5-7 非线性系统的频域分析法 216

5-7-1 典型非线性环节的描述函数 217

5-7-2 描述函数分析法 226

习题 231

6 离散控制系统 233

6-1 离散控制系统及其数学描述的特点 233

6-1-1 离散控制系统 233

6-1-2 采样信号的数学描述 234

6-1-3 差分方程 238

6-2 Z变换 239

6-2-1 Z变换的定义 239

6-2-2 Z变换的基本定理 242

6-2-3 Z反变换 244

6-2-4 改进Z变换 245

6-3-1 脉冲传递函数的定义 248

6-3 脉冲传递函数 248

6-3-2 脉冲传递函数的代数运算法则 249

6-3-3 脉冲传递函数和差分方程的关系 251

6-4 离散控制系统分析设计的经典方法 251

6-4-1 稳定性分析 251

6-4-2 Z平面上根的分布和系统动态品质的关系 254

6-4-3 线性离散系统的根轨迹分析法 256

6-4-4 数字调节器的设计 260

6-5 离散控制系统的状态变量法 266

6-5-1 由差分方程转化为状态方程 266

6-5-2 脉冲传递函数和离散状态方程间的转化 267

6-5-3 连续状态方程的离散化 273

6-5-4 闭环系统状态方程 274

6-5-5 离散状态方程求解 275

习题 278

7 李雅普诺夫稳定性分析法 282

7-1 李雅普诺夫稳定性 282

7-1-1 系统与平衡状态 282

7-1-2 李雅普诺夫稳定性定义 283

7-1-3 标量函数V(x)的符号性定义 285

7-2 判定系统稳定性的李雅普诺夫方法 286

7-2-1 李雅普诺夫第一方法 286

7-2-2 李雅普诺夫第二方法 287

7-3 线性系统的李雅普诺夫稳定性分析 290

7-3-1 线性定常连续系统的李雅普诺夫稳定性分析 290

7-3-2 线性定常离散系统的李雅普诺夫稳定性分析 292

7-4 李雅普诺夫第二方法在控制系统设计中的应用 293

7-4-1 线性定常系统的校正 293

7-4-2 利用李雅普诺夫第二方法求解参数最优化问题 294

7-4-3 稳定模型参考自适应控制系统的设计 298

7-5 非线性系统的李雅普诺夫稳定性分析 300

7-5-1 克拉索夫斯基法 300

7-5-2 变量-梯度法 301

习题 304

8 控制系统设计 305

8-1 能控性和能观性 305

8-1-1 能控性问题 305

8-1-2 能观性问题 313

8-1-3 能控性与能观性的对偶关系 316

8-1-4 离散时间系统的能控性与能观性 317

8-2 自动调节系统的校正 321

8-2-1 系统校正的实质与方式 321

8-2-2 串接校正装置的设计 322

8-2-3 局部反馈校正装置的设计 332

8-3 状态调节器设计 334

8-3-1 传递函数方法 335

8-3-2 状态空间方法 340

8-4 状态观测器的设计 343

8-4-1 全维观测器 343

8-4-2 降维观测器 347

8-4-3 扰动观测器 348

8-5 解耦补偿器的设计 350

8-5-1 系统的解耦 350

8-5-2 前馈解耦器 352

习题 353

9-1 概述 355

9 最优控制 355

9-2 最优控制中的变分法 357

9-2-1 泛函及其变分 357

9-2-2 固定端点的极小值积分问题 358

9-2-3 拉格朗日乘子法 361

9-3 极小值原理 362

9-3-1 问题的提法 362

9-3-2 容许控制 363

9-3-3 哈密尔顿函数和正则方程组 363

9-3-4 极小值原理 364

9-3-5 边界条件 366

9-4 动态规划方法 368

9-4-1 离散系统的动态规划方法 368

9-4-2 连续系统的动态规划方法 371

9-5 线性二次型最优控制 374

9-5-1 最优状态调节器 375

9-5-2 非时变最优状态调节器 379

9-5-3 最优输出调节器 381

9-6 最短时间控制系统 382

9-6-1 简单过程的最短时间控制 382

9-6-2 最短时间控制的一般理论 385

9-6-3 切换次数定理 386

习题 387

附录 388

Ⅰ 富里叶变换性质与拉普拉斯变换的性质和变换对 388

Ⅱ 矩阵分析基础 390

参考文献 395