自動控制原理與設計（第5版）

第1章　反饋控制縱覽及簡單歷史回顧　1
1.1　簡單的反饋系統(tǒng)　2
1.2　反饋的分析　5
1.3　歷史簡介　8
1.4　全書概述　13
小結　14
復習題　14
習題　15
第2章　動態(tài)模型　17
2.1　機械系統(tǒng)動力學　18
2.2　電路模型　27
2.3　電機系統(tǒng)模型　30
▲2.4　熱和流體流動模型　34
2.4.1　熱流　34
2.4.2　不可壓縮流體的流動　37
▲2.5　復雜機械系統(tǒng)　42
2.5.1　平移和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)　42
2.5.2　分布參數(shù)系統(tǒng)　45
小結　46
復習題　47
習題　47
第3章  動態(tài)響應　56
3.1  拉普拉斯變換回顧　57
3.1.1  卷積響應　57
3.1.2  傳遞函數(shù)與頻率響應　59
3.1.3  拉普拉斯變換　63
3.1.4  拉普拉斯變換的性質(zhì)　65
3.1.5  部分分式求拉普拉斯反變換　67
3.1.6  終值定理　68
3.1.7  應用拉普拉斯變換解決問題　70
3.1.8  極點和零點　71
3.1.9  用MATLAB分析線性系統(tǒng)　72
3.2  系統(tǒng)模型圖　76
3.2.1  框圖　76
3.2.2  利用MATLAB進行框圖化簡　79
3.3  極點配置的影響　80
3.4  時域特性　86
3.4.1  上升時間　87
3.4.2  超調(diào)量和峰值時間　87
3.4.3  調(diào)節(jié)時間　88
3.5  零點和附加極點的影響　90
3.6  幅值變換與時間變換　95
3.6.1  幅值變換　95
3.6.2  時間變換　96
3.7  穩(wěn)定性　97
3.7.1  線性時不變系統(tǒng)的穩(wěn)定性　97
3.7.2  勞斯穩(wěn)定判據(jù)　98
▲3.8  由實驗數(shù)據(jù)建立模型　104
▲3.9  梅森公式與信號流圖　105
小結　109
復習題　110
習題　111
第4章  反饋的基本特點　125
4.1  控制的基本方程　126
4.1.1  瓦特問題：干擾抑制　128
4.1.2  布萊克問題：系統(tǒng)增益對參數(shù)變化的靈敏度　130
4.1.3  傳感器的噪聲引起的矛盾　131
4.1.4  雷達問題：跟隨一個變化的參考信號　132
4.2  穩(wěn)態(tài)誤差的控制：系統(tǒng)類型　133
4.2.1  參考輸入作用下的系統(tǒng)類型：單位反饋的情形　133
4.2.2  參考輸入作用下的系統(tǒng)類型：一般情形　136
4.2.3  干擾輸入作用下的系統(tǒng)類型　138
4.3  動態(tài)誤差的控制：PID控制　141
4.3.1  比例控制(P)　141
4.3.2  比例加積分控制(PI)　141
4.3.3  比例積分微分控制(PID)　142
4.4  基本反饋概念的擴展　144
4.4.1  控制器的數(shù)字實現(xiàn)　144
▲4.4.2  PID控制器參數(shù)的Z-N整定法　150
▲4.4.3  誤差常數(shù)的Truxal公式　154
▲4.4.4  時間響應對參數(shù)變化的靈敏度　155
小結　159
復習題　160
習題　160
第5章  根軌跡法　175
5.1  基本反饋系統(tǒng)的根軌跡　176
5.2  繪制根軌跡的指導原則　180
5.2.1  繪制正(180°)根軌跡規(guī)則　182
5.2.2  繪制根軌跡規(guī)則總結　189
5.3  根軌跡應用舉例　190
5.4  選取參數(shù)值　201
5.5  運用動態(tài)補償進行設計　203
5.5.1  超前補償　204
5.5.2  滯后補償　209
5.5.3  超前滯后補償　210
5.5.4  模擬和數(shù)字補償?shù)膶崿F(xiàn)　211
5.6  根軌跡法設計實例　213
5.7  擴展根軌跡法　218
5.7.1  繪制負(0°)根軌跡規(guī)則　219
5.7.2  考慮兩個參數(shù)的情況　221
5.7.3  時間延遲　223
小結　225
復習題　227
習題　227
第6章  頻率響應設計法　242
6.1  頻率響應　243
6.1.1  伯德圖法　248
6.1.2  穩(wěn)態(tài)誤差　258
6.2  臨界穩(wěn)定　259
6.3  奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)　261
6.3.1  幅角原理　261
6.3.2  在控制設計中的應用　262
6.4  穩(wěn)定裕度　270
6.5  伯德增益-相位關系　276
6.6  閉環(huán)頻率響應　280
6.7  補償環(huán)節(jié)　281
6.7.1  PD補償　282
6.7.2  超前補償　282
6.7.3  PI補償　291
6.7.4  滯后補償　292
6.7.5  PID補償　296
6.7.6  設計的考慮因素　299
▲6.8  頻率特性的其他圖示方法　301
6.8.1  尼科爾斯圖　301
6.8.2  逆奈奎斯特圖　304
▲6.9  根據(jù)靈敏度函數(shù)定義的性能指標　305
6.10  時滯環(huán)節(jié)　312
小結　314
復習題　316
習題　316
第7章  狀態(tài)空間設計　335
7.1  狀態(tài)空間設計法的優(yōu)點　336
7.2  狀態(tài)空間中的系統(tǒng)描述　337
7.3  框圖和狀態(tài)空間　342
7.4  狀態(tài)方程的分析　345
7.4.1  框圖與標準型　345
7.4.2  從狀態(tài)方程求解動態(tài)響應　355
7.5  全狀態(tài)反饋的控制規(guī)律設計　360
7.5.1  尋找控制規(guī)律　361
7.5.2  引入全狀態(tài)反饋的參考輸入　368
7.6  優(yōu)良設計的極點位置的選擇　371
7.6.1  主導二階極點　372
7.6.2  對稱根軌跡法(SRL)　373
7.6.3  幾種方法的評論　380
7.7  估計器設計　380
7.7.1  全階估計器　381
7.7.2  降階估計器　386
7.7.3  估計器極點的選擇　388
7.8  補償器設計：結合控制規(guī)律和估計器　391
7.9  對含估計器的系統(tǒng)引入?yún)⒖驾斎搿?01
7.9.1  引入?yún)⒖驾斎氲囊话憬Y構　403
7.9.2  選擇增益　410
7.10  積分控制和魯棒跟蹤　411
7.10.1  積分控制　411
▲7.10.2  魯棒跟蹤控制：誤差空間法　414
▲7.10.3  擴展估計器　421
▲7.11  回路傳遞恢復(LTR)　424
▲7.12  有理傳遞函數(shù)的直接設計　428
▲7.13  含純滯后時間的系統(tǒng)設計　431
小結　435
復習題　436
習題　43
第8章  數(shù)字控制　455
8.1  數(shù)字化　456
8.2  離散系統(tǒng)的動態(tài)分析　458
8.2.1  z變換　458
8.2.2  z逆變換　459
8.2.3  s與z的關系　461
8.2.4  終值定理　462
8.3  仿真設計　464
8.3.1  零極點匹配法　467
8.3.2  修正的零極點匹配法　469
8.3.3  幾種數(shù)字逼近法的比較　470
8.3.4  仿真設計法的應用范圍　471
8.4  硬件特征　471
8.4.1  模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器　472
8.4.2  數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器　472
8.4.3  抗混疊預濾器　472
8.4.4  計算機　473
8.5  采樣速率的選擇　474
8.5.1  跟蹤效率　475
8.5.2  抑制擾動　475
8.5.3  抗混疊預濾器的影響　476
8.5.4  異步采樣　477
▲8.6  離散設計　477
8.6.1  分析工具　477
8.6.2  反饋特性　479
8.6.3  離散設計舉例　479
8.6.4  設計的離散分析　481
▲8.7  狀態(tài)空間設計方法　483
小結　488
復習題　490
習題　490
第9章  非線性系統(tǒng)　499
9.1  引言和動機：為什么學習非線性系統(tǒng)　500
9.2  線性化分析　501
9.2.1  小信號分析的線性化　502
9.2.2  通過非線性反饋進行線性化　505
9.2.3  通過反向非線性進行線性化　506
9.3  用根軌跡法進行等效增益分析　507
9.4  用頻率響應分析等效增益：描述函數(shù)　515
▲9.5  基于穩(wěn)定性的分析和設計　524
9.5.1  相平面　524
9.5.2  李雅普諾夫穩(wěn)定性分析　529
9.5.3  圓判據(jù)　535
小結　540
復習題　540
習題　541
第10章  控制系統(tǒng)設計：原理與實例研究　548
10.1  控制系統(tǒng)設計概述　548
10.2  衛(wèi)星姿態(tài)控制設計　553
10.3  波音747飛機的側面和縱向控制　565
10.3.1  偏移阻尼器　570
10.3.2  姿態(tài)保持自動導航儀　576
10.4  汽車引擎的油-氣比控制　581
10.5  硬盤的讀/寫磁頭組件控制　587
10.6  半導體晶片制造中的快速熱處理器控制系統(tǒng)　593
小結　604
復習題　605
習題　606
附錄A  拉普拉斯變換　615
附錄B  復變量回顧　627
附錄C  矩陣理論概述　635
附錄D  能控性和能觀性　643
附錄E  極點配置的阿克曼公式　649
附錄F  MATLAB命令　652
附錄G  章末復習題答案　654
參考文獻　666