线性控制系统的分析与设计PDF电子书下载

目录 1

前言 1

第一章 绪论 1

1-1 引言 1

1-2 控制系统引论 1

1-3 定义 3

1-4 历史背景 4

1-5 数学背景 7

1-6 工程控制问题的一般性质 8

1-7 本教材概况 8

第二章 系统方程的建立 11

2-1 引言 11

2-2 电路和元件 12

2-3 基础线性代数 15

2-4 状态概念 17

2-5 传递函数和方框图 21

2-6 直线运动机械系统 22

2-7 模拟电路 26

2-8 旋转运动机械系统 27

2-9 热力学系统 30

2-10 液压线性执行机构 32

2-11 正位移旋转液压传动 35

2-12 液位系统 37

2-13 旋转功率放大器 38

2-14 直流伺服马达 39

2-15 交流伺服马达 41

2-16 拉格朗日方程式 42

2-17 小结 44

第三章 微分方程的解 46

3-1 引言 46

3-2 控制系统的输入 46

3-3 稳态响应：正弦输入 47

3-4 稳态响应：多项式输入 48

3-5 瞬态响应：经典法 49

3-6 时间常数的定义 51

3-7 例：二阶机械系统 52

3-8 例：二阶电系统 53

3-9 二阶系统的瞬态响应 54

3-10 时间常数的详细说明 56

3-11 状态变量方程 56

3-12 特征值 57

3-13 状态转移矩阵的计算 58

3-14 状态方程式的完全解 60

3-15 状态方程的计算机求解 61

3-16 小结 62

4-1 引言 64

4-2 拉氏变换的定义 64

第四章 拉氏变换 64

4-3 简单函数拉氏变换的推导 65

4-4 拉氏变换理论 66

4-5 拉氏变换在微分方程中的应用 67

4-6 反变换 68

4-7 赫维赛德部分分式展开定理 69

4-8 求部分分式的捷径 74

4-9 部分分式系数的图形解释 75

4-10 由零极点图确定频率响应 77

4-11 极点位置与稳定性 79

4-12 脉冲函数的拉氏变换 79

4-13 具有脉冲激励的二阶系统 80

4-14 矩阵运算及矩阵特性的补充知识 81

4-15 状态方程的解 85

4-16 传递函数矩阵的计算 86

4-17 小结 87

5-1 引言 89

5-2 方框图 89

第五章 系统的描述 89

5-3 总传递函数的确定 91

5-4 标准的方框图术语 93

5-5 位置控制系统 94

5-6 仿真图 97

5-7 信号流图 99

5-8 状态转移信号流图 102

5-9 由传递函数求并联状态图 105

5-10 矩阵的对角化 106

5-11 具有复数特征值的矩阵变换 111

5-12 将矩阵变换成友型 113

5-13 小结 115

第六章 控制系统的特性 117

6-1 引言 117

6-2 劳斯稳定判据 117

6-3 数学的和物理的形式 121

6-4 反馈控制系统的类型 122

6-5 系统类型的分析 123

6-6 实例：“Ⅱ”型系统 127

6-7 稳态误差系数 128

6-8 稳态误差系数的应用 131

6-9 小结 132

第七章 根轨迹 134

7-1 引言 134

7-2 特征方程根轨迹的绘制 134

7-3 根轨迹的定量分析 136

7-4 作图步骤 138

7-5 开环传递函数 138

7-6 控制比C（s）/R（s）的极点 139

7-7 幅值条件和相角条件的应用 140

7-8 根轨迹图的几何性质（作图规则） 143

7-9 例 149

7-10 频率响应 151

7-11 性能指标 152

7-12 传递滞后 155

7-13 综合 156

7-14 负反馈系统根轨迹作图规则的总结 157

7-15 小结 158

第八章 频率响应 159

8-1 引言 159

8-2 正弦函数和时间响应的相互关系 159

8-3 频率响应曲线 160

8-4 波德图（对数频率特性） 161

8-5 一般频率传递函数关系 162

8-6 波德图的绘制 162

8-7 绘制波德图的实例 166

8-8 系统类型和增益与对数幅频特性的关系 168

8-9 确定传递函数的实验方法 169

8-10 极坐标图 170

8-11 小结：极坐标图 173

8-12 逆极坐标图 174

8-13 奈魁斯特稳定判据 176

8-14 使用极坐标图的奈氏判据应用例子 180

8-15 用于具有时间滞后系统的奈氏稳定判据 182

8-16 逆极坐标图的奈氏稳定判据的应用 183

8-17 逆极坐标图的奈氏判据的实例 184

8-18 相角裕量，增益裕量的定义及其与稳定性的关系 184

8-19 对数幅相特性的稳定特性 186

8-20 根据尼柯尔斯图（对数幅-相角）确定系统的稳定性 186

8-21 小结 188

第九章 基于频率响应的闭环特性 190

9-1 引言 190

9-2 直接极坐标图 190

9-3 简单二阶系统的Mm和ωm的确定 191

9-4 正弦响应和时间响应的相互关系 193

9-5 在复数平面C（jω）/R（jω）的M（ω）和α（ω）圆（直接图） 193

9-6 逆坐标图中的圆 198

9-7 单位反馈系统对期望Mm值的增益整定：一般极坐标图 200

9-8 对于单位反馈系统为了获得期望的Mm的增益整定：逆极坐标图 201

9-9 对数幅-相图上的等M和等α曲线（尼氏图） 203

9-10 利用对数幅-相图进行增益调节 204

9-11 零极点图与频域和时域响应的相互关系 205

9-12 小结 207

第十章 根轨迹补偿（校正） 209

10-1 引言 209

10-2 瞬态响应：主导复数极点 210

10-3 附加的有效极点 213

10-4 根轨迹补偿 215

10-5 理想的积分串联补偿 215

10-6 利用无源元件组成的串联滞后补偿 216

10-7 理想的微分串联补偿 219

10-8 无源元件的超前补偿 220

10-10 滞后-超前串联补偿 223

10-9 一般超前补偿装置的设计 223

10-11 各种串联补偿的比较 225

10-12 反馈补偿引论 226

10-13 反馈补偿设计步骤 227

10-14 简单的速度反馈补偿 228

10-15 速度反馈 229

10-16 输出二阶微分反馈 232

10-17 反馈补偿的结果 233

10-18 速度反馈主导复数极点的性能指标 233

10-19 小结 234

第十一章 串联补偿和反馈补偿：频率响应图 236

11-1 引言 236

11-2 串联补偿装置的选择 237

11-3 串联滞后补偿装置 239

11-4 例：串联滞后补偿 240

11-5 超前补偿装置 242

11-6 例：串联超前补偿 244

11-7 滞后-超前补偿 245

11-8 例：串联滞后-超前补偿 247

11-9 利用对数图的反馈补偿 248

11-10 例：反馈补偿（对数图） 250

11-11 小结 252

第十二章 闭环零极点的配置（状态变量反馈） 254

12-1 引言 254

12-2 建立期望控制比 254

12-3 吉赖米恩-杜爱克斯尔设计过程 256

12-4 状态变量反馈 257

12-5 状态反馈的一般特性（利用相变量） 260

12-6 状态变量反馈的稳态误差分析 261

12-7 稳态误差系数的利用 263

12-8 无差系统的定义 266

12-9 可控性与可观测性 267

12-10 状态变量反馈：全极点系统 271

12-11 系统的复数极点 273

12-12 状态变量反馈：零极点系统 273

12-13 小结 278

第十三章 参数灵敏度及不可达状态 280

13-1 引言 280

13-2 灵敏度 280

13-3 灵敏度分析 282

13-4 参数灵敏度的例子 286

13-5 不可达状态 286

13-6 观测性 288

13-7 含有观测器的控制系统 290

13-8 小结 292

第十四章 李亚普洛夫第二方法 293

14-1 引言 293

14-2 状态空间轨迹 293

14-3 线性化〔雅可比（Jacobian）矩阵〕 299

14-4 二次型 302

14-5 稳定性 306

14-6 李亚普洛夫第二方法 308

14-7 李氏方法在线性系统中的应用 311

14-8 瞬态调整时间的估算 314

14-9 小结 315

第十五章 现代控制论导论 317

15-1 引言 317

15-2 设定时间准则的推广 318

15-3 控制面积准则 319

15-4 附加性能指标 319

15-5 零稳态阶跃误差系统 321

15-6 现代控制的性能指标 323

15-7 代数黎卡提（Riccati）方程 326

15-8 例题 329

15-9 最优状态变量反馈系统的波德图分析 331

15-10 最优状态变量反馈系统的根方轨迹分析 334

15-11 高前向增益（HFG）条件的确定 336

15-12 小结 338

第十六章 利用二次型性能指标的最优设计 341

16-1 引言 341

16-2 基本系统 341

16-3 二次型性能指标 341

16-4 稳定状态误差要求 343

16-5 精确的相互关系（经典与现代） 347

16-6 全极点系统与高阶系统的相互关系 350

16-7 高阶系统的相互关系（零极点系统） 354

16-8 相互关系结果的分析 357

16-9 一般设计步骤 358

16-10 控制加权的作用 358

16-11 另一种设计方法 359

16-12 16-11节的推广 363

16-13 具有变参数的系统 364

16-14 小结 367

第十七章 线性多变量控制系统的结构特性 369

17-1 引言 369

17-2 利用控制范式设计单输入单输出系统的状态反馈 369

17-3 标准化的控制规范型（GCCF） 371

17-4 利用状态反馈的极点配置：MIMO系统 375

17-5 本征结构在时间响应上的影响 377

17-6 整个本征结构的配置 379

17-7 观测器本征结构的确定 379

17-8 小结 380

第十八章 利用整个本征结构的配置对线性多变量调节器、观测器和跟踪器 382

的综合 382

18-1 引言 382

18-2 调节器的整个本征结构配置的实例 382

18-3 不可控系统 387

18-4 跟踪系统 388

18-5 跟踪系统设计的实例 389

18-6 观测器综合的一个实例 393

18-7 小结 394

第十九章 数字控制系统 397

19-1 引言 397

19-2 采样 397

19-3 z变换定理 400

19-4 z域中的综合 400

19-5 z的逆变换 403

19-6 零阶保持器 403

19-7 数字计算机的补偿 404

19-8 小结 405

附录A 拉普拉斯变换对表 406

附录B TOTAL：可互换的数字和连续控制系统的分析和综合的计算机辅助设计程序 409

附录C 指数输入函数 414

习题 416

部分习题答案 458