自动控制 多学科视角PDF电子书下载

第1章 引论 1

1.1 什么是反馈 1

1.2 什么是控制 3

1.3 反馈实例 4

1.3.1 早期技术实例 4

1.3.2 发电与输电 5

1.3.3 航空与运输 6

1.3.4 材料及其处理 7

1.3.5 仪器 8

1.3.6 机器人学与智能机器 9

1.3.7 网络与计算系统 10

1.3.8 经济学 11

1.3.9 自然中的反馈 12

1.4 反馈特性 14

1.4.1 鲁棒性与不确定性 14

1.4.2 动态特性的设计 15

1.4.3 高级自动控制 16

1.4.4 反馈的缺点 17

1.4.5 前馈 17

1.4.6 正反馈 18

1.5 简单形式的反馈 18

1.5.1 通断控制 18

1.5.2 PID控制 19

1.6 进阶阅读 20

习题 21

第2章 系统建模 22

2.1 建模的概念 22

2.1.1 力学中的阐释 22

2.1.2 电气工程的阐释 24

2.1.3 控制的观点 25

2.1.4 多学科建模 26

2.2 状态空间模型 27

2.2.1 常微分方程组 27

2.2.2 差分方程 30

2.2.3 仿真与分析 33

2.3 建模方法 35

2.3.1 方框图 36

2.3.2 实验建模 38

2.3.3 归一化与定标 39

2.3.4 模型的不确定性 40

2.4 建模实例 41

2.4.1 运动控制系统 41

2.4.2 信息系统 43

2.4.3 生物系统 47

2.5 进阶阅读 49

习题 49

第3章 实例 53

3.1 定速巡航控制 53

3.2 自行车动态特性模型 56

3.3 运算放大器电路 58

3.4 计算系统与网络 61

3.4.1 Web服务器控制 61

3.4.2 拥塞控制 63

3.5 原子力显微镜 65

3.6 药物管理 68

3.6.1 房室模型 69

3.6.2 胰岛素-葡萄糖动态平衡 70

3.7 种群动态特性 72

3.7.1 后勤增长模型 72

3.7.2 捕食者-猎物模型 72

习题 73

第4章 动态行为 76

4.1 求解微分方程 76

4.2 定性分析 78

4.2.1 相图 79

4.2.2 平衡点和极限环 79

4.3 稳定性 81

4.3.1 定义 81

4.3.2 线性系统的稳定性 83

4.3.3 基于线性近似的稳定性分析 86

4.4 李雅普诺夫稳定性分析 88

4.4.1 李雅普诺夫函数 88

4.4.2 Krasovski-Lasalle不变性原理 94

4.5 参数化行为与非局部行为 95

4.5.1 吸引域 95

4.5.2 分岔 96

4.5.3 利用反馈进行非线性动态特性设计 98

4.6 进阶阅读 100

习题 100

第5章 线性系统 104

5.1 基本定义 104

5.1.1 线性特性 105

5.1.2 时不变性 107

5.2 矩阵指数 108

5.2.1 初始条件响应 108

5.2.2 约当标准型 111

5.2.3 特征值和模式 114

5.3 输入／输出响应 116

5.3.1 卷积方程 116

5.3.2 坐标不变性 118

5.3.3 稳态响应 120

5.3.4 采样 125

5.4 线性化 127

5.4.1 平衡点处的雅可比线性化 128

5.4.2 反馈线性化 130

5.5 进阶阅读 131

习题 131

第6章 状态反馈 134

6.1 可达性 134

6.1.1 可达性的定义 134

6.1.2 可达性的判定 135

6.1.3 可达标准型 138

6.2 基于状态反馈的稳定化 141

6.2.1 状态空间控制器的结构 141

6.2.2 可达标准型系统中的状态反馈 144

6.2.3 特征值配置 145

6.3 状态反馈的设计 147

6.3.1 二阶系统 147

6.3.2 高阶系统 151

6.3.3 线性二次调节器 153

6.4 积分作用 157

6.5 进阶阅读 159

习题 160

第7章 输出反馈 163

7.1 可测性 163

7.1.1 可测性的定义 163

7.1.2 可测性的检验 164

7.1.3 可测标准型 166

7.2 状态估算 167

7.2.1 观测器 167

7.2.2 观测器增益的计算 170

7.3 基于状态估计的控制 171

7.4 卡尔曼滤波器 174

7.5 一种通用控制器结构 177

7.5.1 前馈 177

7.5.2 线性系统的卡尔曼解构 180

7.5.3 计算机实现 181

7.6 进阶阅读 183

习题 183

第8章 传递函数 185

8.1 频域建模 185

8.2 传递函数的推导 186

8.2.1 指数信号的传输 186

8.2.2 坐标的改变 189

8.2.3 线性系统的传递函数 189

8.2.4 增益、极点和零点 192

8.3 方框图和传递函数 195

8.3.1 控制系统的传递函数 196

8.3.2 极点／零点抵消 199

8.3.3 代数环 200

8.4 伯德图 201

8.4.1 伯德图的绘制及解释 202

8.4.2 由实验获得传递函数 207

8.5 拉普拉斯变换 209

8.6 进阶阅读 210

习题 211

第9章 频域分析法 215

9.1 环路传递函数 215

9.2 奈奎斯特判据 217

9.2.1 奈奎斯特图 217

9.2.2 条件稳定性 221

9.2.3 通用奈奎斯特判据 221

9.2.4 奈奎斯特稳定定理的推导 222

9.3 稳定裕度 223

9.4 伯德图关系和最小相位系统 227

9.5 增益和相位的广义概念 229

9.5.1 系统增益 229

9.5.2 小增益和无源性 230

9.5.3 描述函数 231

9.6 进阶阅读 232

习题 233

第10章 PID控制 235

10.1 基本控制功能 235

10.2 用于复杂系统的简化控制器 239

10.3 PID整定 242

10.3.1 Ziegler-Nichols整定 242

10.3.2 延迟反馈 244

10.4 积分器饱和 245

10.5 实现 247

10.5.1 滤波微分 247

10.5.2 给定加权 247

10.5.3 基于运算放大器的实现 248

10.5.4 计算机实现 249

10.6 进阶阅读 250

习题 251

第11章 频域设计 253

11.1 灵敏度函数 253

11.2 前馈设计 256

11.3 性能指标 258

11.3.1 对参考信号的响应 258

11.3.2 对负载干扰及测量噪声的响应 259

11.4 基于环路整形的反馈设计 261

11.4.1 设计考虑因素 261

11.4.2 超前和滞后补偿 262

11.5 基本限制因素 265

11.5.1 右半平面极点、零点以及时间延迟 265

11.5.2 波特积分公式 268

11.5.3 波特公式的推导 271

11.6 设计实例 272

11.7 进阶阅读 275

习题 275

第12章 鲁棒性能 278

12.1 建模的不确定性 278

12.1.1 未被建模的动态特性 279

12.1.2 两个系统的相似——维尼科姆度量 280

12.2 存在不确定性时的稳定性 282

12.2.1 应用奈奎斯特判据判断鲁棒稳定性 282

12.2.2 Youla参数化 285

12.3 存在不确定性时的性能 287

12.3.1 干扰衰减 287

12.3.2 参考信号的跟踪 288

12.4 鲁棒性极点配置 290

12.4.1 慢稳过程零点 290

12.4.2 快稳过程极点 292

12.4.3 极点配置的设计准则 293

12.5 鲁棒性能设计 296

12.5.1 定量反馈理论 296

12.5.2 线性二阶控制 297

12.5.3 H∞控制 297

12.5.4 干扰加权 299

12.5.5 鲁棒设计的局限 299

12.6 进阶阅读 300

习题 300

参考文献 302