高等学校教材 控制工程基础PDF电子书下载

第1章 概论 1

1.1 控制工程概述 1

1.2 自动控制系统的基本概念 2

1.2.1 控制系统的工作原理 2

1.2.2 反馈控制系统的组成 5

1.3 控制系统的分类 6

1.3.1 按反馈情况分类 6

1.3.2 按输入信号变化规律分类 7

1.3.3 按系统的数学描述分类 8

1.3.4 按系统内部的信号特征分类 8

1.4 对控制系统的基本要求 9

1.4.1 稳定性 9

1.4.2 快速性 9

1.4.3 精确性 10

习题 10

第2章 控制系统的微分方程 12

2.1 建立微分方程的一般步骤 12

2.2 一阶系统的微分方程 13

2.2.1 比例控制系统的微分方程 13

2.2.2 积分控制系统的微分方程 14

2.2.3 微分控制系统的微分方程 15

2.2.4 一阶惯性控制系统的微分方程 16

2.3 二阶系统的微分方程 17

2.4 高阶系统的微分方程 18

2.5 应用MATLAB求解微分方程 20

2.6 非线性微分方程的线性化 24

习题 27

第3章 拉普拉斯变换 30

3.1 复变函数基础 30

3.1.1 复平面 30

3.1.2 复变函数 31

3.2 拉普拉斯变换的定义 31

3.3 几种典型函数的拉普拉斯变换 32

3.3.1 指数函数 32

3.3.2 阶跃函数 32

3.3.3 斜坡函数 33

3.3.4 正弦函数 33

3.3.5 幂函数 34

3.3.6 脉冲函数 35

3.4 拉普拉斯变换的基本性质和定理 35

3.4.1 线性性质 36

3.4.2 时域微分定理 36

3.4.3 时域积分定理 37

3.4.4 时域延时定理 38

3.4.5 时域衰减定理 38

3.4.6 时域尺度变换定理 39

3.4.7 时域初值定理 40

3.4.8 时域终值定理 40

3.4.9 时域卷积定理 41

3.4.10 复微分定理 42

3.5 拉普拉斯反变换 43

3.5.1 拉普拉斯反变换的定义和计算公式 43

3.5.2 拉普拉斯反变换的部分分式展开法 43

3.6 应用拉普拉斯变换求解微分方程 50

3.7 应用MATLAB进行部分分式展开 52

习题 54

第4章 传递函数 56

4.1 传递函数的定义和性质 56

4.1.1 传递函数的定义 56

4.1.2 传递函数的性质 56

4.2 传递函数的特征方程、零点和极点 57

4.2.1 特征方程、零点和极点 57

4.2.2 极点和零点对输出的影响 58

4.3 典型环节及其传递函数 58

4.4 系统方框图及其简化 66

4.4.1 系统方框图 66

4.4.2 系统方框图的简化 73

4.4.3 系统信号流图和梅森公式 81

4.4.4 考虑干扰的控制系统的传递函数 86

4.5 控制系统传递函数推导实例 88

4.5.1 机械系统 88

4.5.2 液压系统 92

4.5.3 有源电路网络 94

4.6 应用MATLAB表示与化简传递函数 95

4.6.1 传递函数的多项式表示 95

4.6.2 传递函数的零、极点表示 96

4.6.3 连续系统的模型转换 96

4.6.4 结构图化简 97

习题 99

第5章 控制系统的时间响应 106

5.1 时间响应的基本概念 106

5.2 一阶系统的时间响应 107

5.2.1 一阶系统的数学模型 107

5.2.2 一阶系统的单位阶跃响应 108

5.2.3 一阶系统的单位脉冲响应 109

5.2.4 一阶系统的单位速度响应 110

5.2.5 一阶系统的单位加速度响应 111

5.2.6 线性定常系统时间响应的性质 112

5.3 二阶系统的时间响应 114

5.3.1 二阶系统的数学模型 114

5.3.2 二阶系统的单位阶跃响应 117

5.3.3 二阶系统的单位脉冲响应 122

5.3.4 二阶系统的单位速度响应 124

5.4 高阶系统的时间响应 127

5.4.1 高阶系统的单位阶跃响应 127

5.4.2 主导极点和偶极子 130

5.5 控制系统的动态性能分析 131

5.5.1 控制系统时域动态性能指标的定义 131

5.5.2 二阶系统时域动态性能指标的计算 132

5.6 控制系统的稳态性能分析 136

5.6.1 稳态误差的基本概念 137

5.6.2 稳态误差的计算 138

5.6.3 稳态误差系数 139

5.6.4 扰动引起的稳态误差 144

习题 146

第6章 控制系统的频率特性 148

6.1 频率特性的基本概念 148

6.1.1 引例 148

6.1.2 频率特性的定义 150

6.1.3 频率特性的性质 155

6.1.4 频率特性的表示方法 156

6.2 频率特性的极坐标图 159

6.2.1 极坐标图概述 159

6.2.2 典型环节的极坐标图 160

6.2.3 一般系统的极坐标图 177

6.2.4 极点和零点对极坐标图的影响 183

6.3 频率特性的对数坐标图 188

6.3.1 对数坐标图概述 188

6.3.2 典型环节的对数坐标图 191

6.3.3 一般系统的对数坐标图 209

6.4 最小相位系统 213

6.4.1 最小相位系统和非最小相位系统的定义 213

6.4.2 最小相位系统和非最小相位系统的极点限制条件 214

6.4.3 最小相位系统的特点 216

6.5 传递函数的实验确定方法 217

6.5.1 频率特性的实验测量方法 217

6.5.2 根据频率特性确定传递函数的步骤 218

6.6 闭环系统的开环频率特性 220

6.6.1 开环传递函数与开环频率特性的定义 220

6.6.2 根据开环频率特性近似分析闭环频率特性 222

习题 224

第7章 线性系统的稳定性分析 228

7.1 稳定性的定义和条件 228

7.2 劳思稳定性判据 230

7.2.1 系统稳定的必要条件 230

7.2.2 系统稳定的充分条件 230

7.2.3 低阶系统的劳思稳定判据 231

7.2.4 两种特殊情况处理 232

7.2.5 劳思判据应用于反馈系统 234

7.3 奈奎斯特稳定性判据 235

7.3.1 幅角定理 235

7.3.2 奈奎斯特稳定性分析 237

7.3.3 由博德图判断系统的稳定性 243

7.4 控制系统的相对稳定性 245

7.4.1 采用劳思判据估计系统的相对稳定性 245

7.4.2 采用奈奎斯特判据度量系统的相对稳定性 246

7.5 利用MATLAB分析系统稳定性 250

7.5.1 在时域分析系统的稳定性 250

7.5.2 在频域分析系统的稳定性 251

习题 255

第8章 根轨迹法 260

8.1 根轨迹与根轨迹方程 260

8.1.1 根轨迹 260

8.1.2 根轨迹方程及根轨迹满足的相角、幅值条件 261

8.2 绘制常规根轨迹的基本法则 263

8.3 利用MATLAB绘制根轨迹图 267

8.4 根轨迹与系统稳定性 270

8.4.1 增加开环零、极点对系统稳定性的影响 270

8.4.2 开环零、极点抵消对系统稳定性的影响 273

8.5 系统闭环零、极点的分布与性能指标 278

8.5.1 闭环零极点分布与阶跃响应的定性关系 278

8.5.2 利用主导极点估算系统性能指标 280

8.6 其他参量根轨迹图的绘制 285

习题 286

第9章 控制系统的设计和校正 289

9.1 概述 289

9.1.1 系统的性能指标 289

9.1.2 连续系统带宽的确定 290

9.1.3 校正方式 290

9.2 PID控制规律及其实现 292

9.2.1 比例（P）控制规律 292

9.2.2 比例-微分（PD）控制规律 293

9.2.3 积分（I）控制规律 297

9.2.4 比例-积分（PI）控制规律 297

9.2.5 比例-积分-微分（PID）控制规律 300

9.2.6 串联校正的特性比较 305

9.3 用频率法进行串联校正 306

9.3.1 概述 306

9.3.2 系统期望开环对数频率特性 307

9.3.3 PD或超前校正网络参数的确定 313

9.4 反馈校正 321

9.4.1 利用反馈校正改变局部结构和参数 321

9.4.2 利用反馈校正取代局部结构 323

9.5 复合校正 323

9.5.1 按输入补偿（顺馈控制） 323

9.5.2 按干扰补偿（前馈控制） 325

9.6 工程中确定PID参数的齐格勒-尼柯尔斯法 326

9.6.1 齐格勒-尼柯尔斯第一法 327

9.6.2 齐格勒-尼柯尔斯第二法（连续振荡法） 327

9.6.3 1/4衰减法 328

9.7 MATLAB在系统综合校正中的应用 328

习题 330

第10章 计算机控制技术 334

10.1 计算机控制系统概述 334

10.1.1 计算机控制系统的组成 334

10.1.2 计算机控制系统特点 335

10.1.3 计算机控制系统优点与问题 335

10.2 采样与保持 336

10.2.1 计算机控制系统中信号的处理及传递过程 336

10.2.2 采样 337

10.2.3 保持器 340

10.3 Z变换 342

10.3.1 Z变换的定义 342

10.3.2 求Z变换的方法 343

10.3.3 Z变换的基本定理 347

10.3.4 Z反变换 351

10.4 离散控制系统的数学模型 354

10.4.1 线性定常差分方程及其求解方法 354

10.4.2 脉冲传递函数 357

10.5 离散系统的稳定性及稳态误差 366

10.5.1 离散系统的稳定性分析 367

10.5.2 离散系统的稳态误差 373

10.6 离散系统的动态性能分析 375

10.6.1 离散系统的时间响应 376

10.6.2 闭环极点与动态响应的关系 377

10.7 离散系统的设计 380

10.7.1 离散系统的模拟化设计 380

10.7.2 数字PID控制器 385

10.7.3 离散系统的数字校正 391

习题 395

附录 拉普拉斯变换表 398

习题参考答案 402

参考文献 421