自动控制 建模·分析·设计PDF电子书下载

第1章 导论 1

1.1 概述 2

1.1.1 自动控制简史 2

1.1.2 自动控制的未来机遇与挑战 4

1.2 自动控制的基本思想 5

1.2.1 自动控制的基本概念 5

1.2.2 开环控制系统 7

1.2.3 闭环控制系统 8

1.3 自动控制系统的类型 10

1.3.1 线性系统与非线性系统 10

1.3.2 定常系统与时变系统 11

1.3.3 连续系统与离散系统 11

1.3.4 单输入单输出（SISO）系统与多输入多输出（MIMO）系统 12

1.4 自动控制系统性能的基本要求 12

1.5 循序渐进实例——高炮随动控制系统简介 13

1.5.1 火炮相关知识 13

1.5.2 高炮随动控制系统简介 15

习题一 16

模型篇 20

第2章 微分方程与传递函数模型 20

2.1 线性定常微分方程 21

2.1.1 线性定常微分方程的一般形式 21

2.1.2 线性叠加原理 21

2.1.3 建立线性定常微分方程的步骤 21

2.2 传递函数 21

2.2.1 传递函数的定义 22

2.2.2 关于传递函数的说明 22

2.2.3 基本环节及其传递函数 23

2.3 电气系统 24

2.3.1 电路基本定律和常用电气元件 24

2.3.2 电气系统的数学建模举例 26

2.4 机械系统 30

2.4.1 牛顿定律和常用机械元件 30

2.4.2 机械系统的数学建模举例 34

2.5 相似系统 40

2.5.1 相似系统举例 40

2.5.2 相似系统的优势 43

2.6 非线性系统的线性化 43

2.6.1 非线性系统的线性化方法 44

2.6.2 磁悬浮钢球系统的线性化处理 44

2.7 模型误差 45

2.8 用Matlab处理传递函数 46

2.8.1 传递函数的表示及形式转换 46

2.8.2 传递函数的特征根及零极点分布图 47

习题二 48

第3章 方框图与信号流图模型 52

3.1 方框图模型 53

3.1.1 方框图的基本组成单元与绘制步骤 53

3.1.2 方框图的等效变换 56

3.2 信号流图 60

3.2.1 信号流图的概念与性质 60

3.2.2 信号流图代数 63

3.2.3 Mason增益公式及其应用 64

3.3 利用Matlab函数或Simulink环境进行系统建模 67

3.3.1 利用Matlab函数进行框图化简 67

3.3.2 利用Simulink环境进行系统建模 70

习题三 71

第4章 控制系统的频域模型 76

4.1 频率特性的基本概念 77

4.1.1 引言 77

4.1.2 频率特性的定义 78

4.2 频率特性的表示方法 80

4.2.1 幅相频率特性曲线 81

4.2.2 对数频率特性曲线 82

4.2.3 对数幅相频率特性曲线 84

4.3 典型环节的频率特性 84

4.3.1 比例环节 84

4.3.2 惯性环节 85

4.3.3 积分环节 87

4.3.4 微分环节 88

4.3.5 振荡环节 90

4.4 系统开环频率特性的绘制 92

4.4.1 开环幅相频率特性曲线的绘制 92

4.4.2 开环对数频率特性曲线的绘制 96

4.4.3 频率特性的测量 99

4.5 利用Matlab绘制频率特性 100

习题四 103

第5章 差分方程与脉冲传递函数模型 105

5.1 离散时间系统的基本结构 106

5.1.1 信号类型 106

5.1.2 离散时间系统的基本结构 106

5.2 信号的采样、保持及转换 107

5.2.1 采样过程 107

5.2.2 Nyquist-Shannon采样定理 108

5.2.3 信号的保持 111

5.3 离散时间系统的差分方程模型 113

5.3.1 线性常系数差分方程 113

5.3.2 微分方程描述的差分化 113

5.4 线性常系数差分方程的求解 115

5.4.1 迭代法 115

5.4.2 Z变换法求解差分方程 115

5.5 离散时间系统的脉冲传递函数模型 116

5.5.1 脉冲传递函数的定义 116

5.5.2 串联环节的脉冲传递函数 117

5.5.3 闭环系统的脉冲传递函数 119

5.6 利用Matlab处理脉冲传递函数 122

5.6.1 脉冲传递函数在Matlab中的表示 122

5.6.2 连续控制系统与离散控制系统之间的转换 123

习题五 124

第6章 状态空间模型 127

6.1 动态系统的状态空间描述法 128

6.1.1 引言 128

6.1.2 系统的状态空间模型 130

6.1.3 状态空间模型的建立 134

6.1.4 等价变换与特征值标准型 138

6.2 模型变换与实现问题 142

6.2.1 由微分方程模型转换为状态空间模型 142

6.2.2 由状态空间模型转换为传递函数模型 146

6.2.3 由传递函数模型转换为状态空间模型 148

6.3 线性连续定常系统状态方程的解 153

6.3.1 状态转移矩阵 153

6.3.2 状态方程的解析解 156

6.4 离散系统的状态空间模型 158

6.4.1 离散系统状态方程模型 158

6.4.2 离散状态方程的求解 162

习题六 164

第7章 高炮随动控制系统模型 167

7.1 主要元部件的工作原理及数学模型 168

7.1.1 失调角检测 168

7.1.2 信号转换与处理 170

7.1.3 功率放大 170

7.1.4 执行元件 171

7.1.5 转速测量 174

7.1.6 转动角加速度测量 175

7.2 系统的方框图与传递函数模型 175

7.2.1 系统的方框图模型 175

7.2.2 系统的传递函数模型 176

习题七 177

分析篇 180

第8章 控制系统的稳定性分析 180

8.1 稳定性研究概述 181

8.1.1 稳定性研究的历史足迹 181

8.1.2 稳定性的重要性 181

8.2 稳定性概念 182

8.2.1 零状态响应和零输入响应 182

8.2.2 BIBO（外部）稳定 185

8.2.3 渐近（内部）稳定 189

8.2.4 BIBO稳定与渐近稳定之间的关系 191

8.3 Routh-Hurwitz判据及其应用 192

8.3.1 Routh-Hurwitz判据的用法 192

8.3.2 Routh-Hurwitz判据的应用 194

8.4 基于根轨迹的稳定性分析 196

8.4.1 根轨迹的概念 196

8.4.2 根轨迹的幅角条件和幅值条件 197

8.4.3 根轨迹的Matlab绘制、举例及解释 198

8.4.4 几种特殊情况的稳定性分析举例 201

8.5 Nyquist稳定性判据 205

8.5.1 围线映射与Cauchy定理（幅角原理） 205

8.5.2 Nyquist稳定性判据及其理解 207

8.5.3 Nyquist稳定性判据的应用 209

8.6 相对稳定性 216

8.6.1 相对稳定性的时域衡量方式 216

8.6.2 相对稳定性的频域衡量方式 217

8.6.3 相角／增益裕度的Matlab求解 220

8.6.4 关于相角裕度和增益裕度的几点说明 222

习题八 223

第9章 控制系统的瞬态性能分析 229

9.1 控制系统的时域瞬态性能分析 230

9.1.1 引言 230

9.1.2 时域瞬态性能指标的定义 230

9.1.3 一阶系统的时间响应分析 232

9.1.4 二阶系统的时间响应分析 234

9.1.5 高阶系统的时间响应分析 241

9.2 控制系统的频域瞬态性能分析 246

9.2.1 频域瞬态性能指标的定义 246

9.2.2 应用频率特性计算二阶欠阻尼系统的瞬态性能指标 249

9.2.3 应用频率特性分析高阶系统的瞬态性能指标 250

9.3 利用Matlab分析瞬态性能指标 251

9.3.1 时间响应分析 251

9.3.2 频域性能分析 253

习题九 255

第10章 控制系统的稳态性能分析 257

10.1 稳态性能指标 258

10.1.1 稳态性能指标 258

10.1.2 误差和稳态误差的定义 258

10.2 稳态误差系数 259

10.3 干扰稳态误差 263

10.4 根轨迹方法分析稳态误差 266

10.5 频率响应方法分析稳态误差 268

10.6 减小稳态误差的方法 270

10.7 Matlab分析稳态误差 272

习题十 275

第11章 离散控制系统的性能分析 279

11.1 离散控制系统的稳定性分析 280

11.1.1 稳定性的定义 280

11.1.2 s平面与z平面的映射关系 280

11.1.3 离散控制系统稳定的代数判据 281

11.2 离散控制系统的瞬态性能分析 284

11.2.1 离散控制系统的时间响应及性能指标 284

11.2.2 闭环极点与系统动态响应的关系 285

11.3 离散控制系统的稳态性能分析 288

11.3.1 由终值定理计算稳态误差 288

11.3.2 以静态误差系数求稳态误差 289

11.3.3 以动态误差系数求稳态误差 291

11.4 应用Matlab分析离散控制系统的性能 291

习题十一 296

第12章 高炮随动控制系统的性能分析 299

12.1 高炮随动控制系统的稳定性分析 300

12.1.1 Routh-Hurwitz判据分析系统稳定性 300

12.1.2 根轨迹分析系统稳定性 300

12.1.3 频率响应分析系统稳定性 301

12.2 高炮随动控制系统的瞬态性能 302

12.2.1 时域响应分析系统瞬态性能 303

12.2.2 根轨迹分析系统瞬态性能 304

12.2.3 频率响应分析系统瞬态性能 305

12.3 高炮随动控制系统的稳态性能 306

12.3.1 时域响应分析系统稳态误差 306

12.3.2 根轨迹分析系统稳态误差 307

12.3.3 频率响应分析系统稳态误差 307

习题十二 308

设计篇 310

第13章 控制系统的校正设计 310

13.1 校正的基本方式 311

13.2 常用的串联校正网络及其性质 312

13.2.1 超前校正网络的频率特性及其特点 312

13.2.2 滞后校正网络的频率特性及其特点 313

13.3 串联校正的频率响应综合法 314

13.3.1 串联超前校正的Bode设计方法 315

13.3.2 串联滞后校正的Bode设计方法 320

13.4 串联校正的根轨迹设计法 322

13.4.1 串联超前校正的根轨迹设计方法 322

13.4.2 串联滞后校正的根轨迹设计方法 325

13.5 利用Matlab进行系统串联校正设计 326

习题十三 333

第14章 状态反馈控制器设计 336

14.1 引言 337

14.2 控制系统的能控性与能观性 338

14.2.1 能控性与能观性的基本概念 338

14.2.2 线性定常连续系统能控性的判据 340

14.2.3 线性定常连续系统能观性的判据 343

14.3 状态反馈控制器 345

14.4 引入状态观测器的状态反馈系统 348

14.4.1 全维状态观测器 348

14.4.2 分离原理 350

14.5 利用Matlab进行状态反馈控制器设计 352

习题十四 356

第15章 离散控制系统的设计 358

15.1 概述 359

15.2 数字控制器的模拟化设计 360

15.2.1 双线性变换法 361

15.2.2 零极点匹配法 362

15.2.3 Z变换法 363

15.3 数字控制器的离散化设计 363

15.3.1 最少拍设计的原理 364

15.3.2 典型输入信号的最少拍设计 365

15.3.3 无纹波最少拍系统的设计 366

15.4 应用Matlab进行离散控制系统的设计 368

习题十五 369

第16章 PID控制与鲁棒控制 371

16.1 PID控制 372

16.1.1 PID控制的工作原理 372

16.1.2 Ziegler-Nichols整定公式 378

16.1.3 应用Matlab进行PID控制器设计 381

16.1.4 PID控制算法的改进 381

16.2 极点配置PID控制 383

16.2.1 带有两个实极点系统的极点配置PID控制 383

16.2.2 一般二阶系统的极点配置PID控制 384

16.2.3 高阶系统的极点配置PID控制 384

16.3 鲁棒PID控制 386

16.3.1 鲁棒PID控制器的设计要点 386

16.3.2 应用Matlab进行鲁棒PID控制设计 387

16.3.3 非线性系统的鲁棒PID控制 388

习题十六 390

第17章 最优控制 392

17.1 概述 393

17.1.1 问题提出 393

17.1.2 最优控制的成功范例——阿波罗登月飞船 395

17.1.3 实现最优控制的难点 396

17.2 最优控制问题 396

17.2.1 系统数学模型 396

17.2.2 边界条件与目标集 396

17.2.3 容许控制集合 397

17.2.4 性能指标函数 397

17.2.5 最优控制问题的求解方法 398

17.3 控制变量无约束的最优控制 398

17.3.1 控制变量无约束的最优控制问题 398

17.3.2 tf固定时的最优解 399

17.3.3 tf自由时的最优解 402

17.4 二次型性能指标的最优控制 404

17.4.1 问题描述 404

17.4.2 有限时间状态调节器 405

17.4.3 定常状态调节器 408

17.4.4 输出调节器 409

17.5 运用Matlab设计最优控制系统 410

习题十七 414

第18章 高炮随动控制系统的改进 415

18.1 新型高炮随动控制系统的改进 416

18.1.1 前馈校正 416

18.1.2 PI校正 416

18.2 改进后高炮随动控制系统的性能分析 417

18.2.1 附加前馈和PI校正后的系统框图 417

18.2.2 附加前馈校正时系统的性能分析 417

18.2.3 附加PI校正时系统的性能分析 418

18.2.4 同时附加前馈和PI校正后的系统性能分析 419

18.3 数字高炮随动控制系统工作原理 420

18.3.1 数字式PID控制算法 420

18.3.2 数字式平方根控制算法 421

习题十八 422

附录A Laplace变换 423

A.1 Laplace变换的定义及性质 424

A.1.1 Laplace变换的定义 424

A.1.2 Laplace变换的性质 424

A.2 重要的Laplace变换对 425

A.3 Laplace反变换方法 426

A.3.1 查表法 426

A.3.2 部分分式展开法 427

A.4 利用Matlab进行Laplace正反变换 429

A.4.1 利用Matlab进行Laplace正变换 429

A.4.2 利用Matlab进行Laplace反变换 429

A.4.3 利用Matlab进行部分分式展开 430

A.5 线性定常微分方程的Laplace变换解法 430

A.5.1 应用Laplace变换法求解线性定常微分方程 430

A.5.2 利用Matlab求解线性定常微分方程 431

附录B Z变换 432

B.1 Z变换的定义及性质 433

B.1.1 Z变换的定义 433

B.1.2 Z变换的性质 434

B.2 Z变换的求法 434

B.2.1 级数求和法 434

B.2.2 部分分式法 435

B.2.3 常用函数的Z变换表 436

B.3 Z反变换的求法 436

B.3.1 幂级数法 437

B.3.2 部分分式法 437

B.4 利用Matlab进行Z正反变换 438

B.4.1 利用Matlab进行Z正变换 438

B.4.2 利用Matlab进行Z反变换 439

B.5 Z变换法求解线性定常差分方程 440

附录C 矩阵运算 442

C.1 矩阵的概念及基本运算 443

C.1.1 矩阵定义 443

C.1.2 矩阵基本运算 444

C.1.3 相似矩阵与矩阵对角化 445

C.2 矩阵指数函数 447

C.2.1 定义与性质 447

C.2.2 几种计算方法 448

C.3 矩阵微分法 450

C.3.1 向量或者矩阵对于数量变量的微分 450

C.3.2 数量函数对于向量的微分 451

C.3.3 向量函数对于向量的微分 451

参考文献 453