《普通高等教育電氣信息類規(guī)劃教材：自動控制原理》系統(tǒng)地介紹了自動控制理論的基本內(nèi)容，并注重闡述基本理論、基本概念和綜合分析方法。《普通高等教育電氣信息類規(guī)劃教材：自動控制原理》共分9章，主要內(nèi)容包括：控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、時域分析法、根軌跡分析法、頻率分析法、控制系統(tǒng)的校正、離散控制系統(tǒng)以及現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)的部分內(nèi)容與非線性系統(tǒng)分析。本書重點突出，層次分明，理論聯(lián)系實際。各章不僅介紹MATLAB相關(guān)應(yīng)用的內(nèi)容，而且有一定數(shù)量的典型例題分析。
前言
第1章 緒論
1.1 引言
1.1.1 自動控制理論的發(fā)展
1.1.2 人工控制與自動控制
1.1.3 開環(huán)控制與閉環(huán)控制
1.1.4 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和術(shù)語定義
1.2 自動控制系統(tǒng)的分類
1.2.1 線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)
1.2.2 恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)
1.2.3 連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)
1.3 對自動控制系統(tǒng)的基本性能要求
1.3.1 穩(wěn)定性
1.3.2 快速性
1.3.3 準(zhǔn)確性
1.4 MATLAB?Simulink介紹
1.5 本章小結(jié)
思考題與習(xí)題
第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
2.1 微分方程
2.1.1 系統(tǒng)微分方程的建立
2.1.2 建立微分方程的步驟
2.2 傳遞函數(shù)
2.2.1 傳遞函數(shù)的定義
2.2.2 傳遞函數(shù)的性質(zhì)
2.3 典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)
2.3.1 比例環(huán)節(jié)
2.3.2 積分環(huán)節(jié)
2.3.3 慣性環(huán)節(jié)
2.3.4 微分環(huán)節(jié)
2.3.5 振蕩環(huán)節(jié)
2.3.6 延遲環(huán)節(jié)
2.4 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的等效變換
2.4.1 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的建立
2.4.2 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的等效變換法則
2.4.3 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的等效變換舉例
2.5 自動控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)
2.5.1 閉環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)
2.5.2 閉環(huán)傳遞函數(shù)
2.6 信號流圖
2.6.1 信號流圖的術(shù)語和性質(zhì)
2.6.2 信號流圖的繪制
2.7 梅遜公式
2.7.1 梅遜公式的定義
2.7.2 應(yīng)用梅遜公式求系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)舉例
2.8 利用MATLAB建立控制系統(tǒng)模型
2.8.1 時間常數(shù)形式的傳遞函數(shù)模型表示
2.8.2 零極點形式的傳遞函數(shù)模型表示
2.8.3 模型的轉(zhuǎn)換和連接
2.9 案例分析與設(shè)計
2.1 0本章小結(jié)
思考題與習(xí)題
第3章 時域分析法
3.1 典型輸入信號和時域性能指標(biāo)
3.1.1 典型輸入信號
3.1.2 階躍響應(yīng)的動態(tài)性能指標(biāo)
3.1.3 穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)
3.2 一階系統(tǒng)的時域分析
3.2.1 單位階躍響應(yīng)
3.2.2 單位脈沖響應(yīng)
3.2.3 單位斜坡響應(yīng)
3.3 二階系統(tǒng)的時域分析
3.3.1 典型的二階系統(tǒng)
3.3.2 二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
3.3.3 系統(tǒng)的暫態(tài)性能指標(biāo)
3.4 高階系統(tǒng)的時域分析
3.5 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
3.5.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性的充分必要條件
3.5.2 勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)
3.5.3 代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)的應(yīng)用
3.6 穩(wěn)態(tài)誤差計算
3.6.1 穩(wěn)態(tài)誤差的定義和計算
3.6.2 給定輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差
3.6.3 擾動輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差
3.6.4 減小穩(wěn)態(tài)誤差的方法
3.7 應(yīng)用MATLAB求控制系統(tǒng)的時域響應(yīng)
3.8 案例分析與設(shè)計
3.9 本章小結(jié)思考題與習(xí)題
第4章 根軌跡分析法
4.1 根軌跡的基本概念
4.1.1 根軌跡的概念
4.1.2 根軌跡方程及繪制條件
4.2 繪制根軌跡的基本規(guī)則
4.2.1 基本規(guī)則
4.2.2 繪制根軌跡舉例
4.3 廣義根軌跡
4.3.1 參數(shù)根軌跡
4.3.2 零度根軌跡
4.4 應(yīng)用MATLAB繪制控制系統(tǒng)的根軌跡
4.5 案例分析與設(shè)計
4.6 本章小結(jié)
思考題與習(xí)題
第5章 頻率分析法
5.1 頻率特性的基本概念
5.1.1 頻率響應(yīng)
5.1.2 頻率特性
5.1.3 頻率特性與傳遞函數(shù)的關(guān)系
5.1.4 頻率特性的表示方法
5.2 對數(shù)坐標(biāo)圖
5.2.1 對數(shù)坐標(biāo)圖的特點
5.2.2 典型環(huán)節(jié)的對數(shù)坐標(biāo)圖
5.2.3 開環(huán)傳遞函數(shù)的對數(shù)坐標(biāo)圖
5.2.4 系統(tǒng)類型與對數(shù)幅頻特性曲線之間的關(guān)系
5.3 幅相頻率特性圖
5.3.1 典型環(huán)節(jié)的奈奎斯特圖
5.3.2 開環(huán)傳遞函數(shù)概略奈奎斯特圖的繪制
5.4 奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)
5.4.1 幅角原理
5.4.2 開環(huán)傳遞函數(shù)虛軸上無極點時的奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)
5.4.3 開環(huán)傳遞函數(shù)虛軸上存在極點時的奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)
5.5 系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性
5.5.1 增益裕量
5.5.2 相位裕度
5.6 系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性
5.7 系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)和時域性能指標(biāo)的關(guān)系
5.7.1 開環(huán)頻域指標(biāo)與時域指標(biāo)的關(guān)系
5.7.2 閉環(huán)頻域指標(biāo)與時域指標(biāo)的關(guān)系
5.7.3 開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線與系統(tǒng)時域性能指標(biāo)之間的關(guān)系
5.8 應(yīng)用MATLAB繪制系統(tǒng)的頻率特性曲線
5.9 案例分析與設(shè)計
5.1 0本章小結(jié)
思考題與習(xí)題
第6章 控制系統(tǒng)的校正
6.1 系統(tǒng)校正的基本概念
6.1.1 性能指標(biāo)
6.1.2 系統(tǒng)的校正
6.2 常用控制規(guī)律
6.2.1 P控制規(guī)律
6.2.2 PD控制規(guī)律
6.2.3 PI控制規(guī)律
6.2.4 PID控制規(guī)律
6.3 基于頻率法的串聯(lián)校正設(shè)計
6.3.1 串聯(lián)超前校正
6.3.2 串聯(lián)滯后校正
6.3.3 串聯(lián)滯后-超前校正
6.4 按期望特性進行串聯(lián)校正
6.5 應(yīng)用MATLAB進行校正設(shè)計
6.6 案例分析與設(shè)計
6.7 本章小結(jié)
思考題與習(xí)題
第7章 離散控制系統(tǒng)
7.1 離散控制系統(tǒng)的基本概念
7.2 信號的采樣與復(fù)現(xiàn)
7.2.1 香農(nóng)采樣定理
7.2.2 零階保持器的原理
7.3 離散控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
7.3.1 差分方程
7.3.2 z變換與z反變換
7.3.3 脈沖傳遞函數(shù)的定義
7.3.4 開環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)
7.3.5 閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)
7.4 離散系統(tǒng)的性能分析
7.4.1 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件和代數(shù)判據(jù)
7.4.2 離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差
7.4.3 離散系統(tǒng)的動態(tài)性能
7.5 應(yīng)用MATLAB進行離散系統(tǒng)分析
7.6 案例分析與設(shè)計
7.7 本章小結(jié)
思考題與習(xí)題
第8章 現(xiàn)代控制理論初步
8.1 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述
8.1.1 狀態(tài)變量和狀態(tài)空間方程
8.1.2 線性定常連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式的建立
8.1.3 狀態(tài)空間表達式的線性變換
8.1.4 傳遞函數(shù)與狀態(tài)方程之間的轉(zhuǎn)換
8.1.5 狀態(tài)圖
8.2 線性定常系統(tǒng)狀態(tài)方程的解
8.2.1 線性系統(tǒng)狀態(tài)方程的解
8.2.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的計算
8.3 線性定常系統(tǒng)的能控性和能觀性
8.3.1 能控性
8.3.2 能觀性
8.3.3 能控、能觀標(biāo)準(zhǔn)型的線性變換
8.3.4 對偶原理
8.4 線性定常系統(tǒng)的極點配置
8.4.1 狀態(tài)反饋
8.4.2 狀態(tài)反饋極點配置定理
8.4.3 求狀態(tài)反饋矩陣K的待定系數(shù)法
8.4.4 求狀態(tài)反饋矩陣K的能控標(biāo)準(zhǔn)型法
8.5 狀態(tài)觀測器
8.5.1 全維狀態(tài)觀測器
8.5.2 配置極點求觀測器增益矩陣的待定系數(shù)法
8.5.3 配置極點求觀測器增益矩陣的能觀標(biāo)準(zhǔn)型法
8.5.4 帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)
8.6 李雅普諾夫穩(wěn)定性分析
8.6.1 李雅普諾夫關(guān)于穩(wěn)定性的定義
8.6.2 李雅普諾夫判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法
8.6.3 線性定常系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析
8.7 案例分析與設(shè)計
8.8 本章小結(jié)
思考題與習(xí)題
第9章 非線性系統(tǒng)分析
9.1 控制系統(tǒng)的非線性特性
9.1.1 典型的非線性特性
9.1.2 非線性系統(tǒng)的特性
9.1.3 非線性控制系統(tǒng)的分析研究方法
9.2 相平面法
9.2.1 相軌跡的基本概念
9.2.2 相軌跡的基本性質(zhì)
9.2.3 相軌跡的繪制
9.2.4 由相平面圖求時間解
9.2.5 奇點和極限環(huán)
9.2.6 非線性控制系統(tǒng)的相平面分析
9.3 描述函數(shù)法
9.3.1 描述函數(shù)的基本概念
9.3.2 典型非線性特性的描述函數(shù)
9.3.3 非線性控制系統(tǒng)的描述函數(shù)分析
9.4 案例分析與設(shè)計
9.5 本章小結(jié)
思考題與習(xí)題
附錄
附錄A 常見拉普拉斯變換及z變換表
附錄B 控制理論中常用的中英文詞組
參考文獻
9.1.2非線性系統(tǒng)的特性 描述非線性系統(tǒng)運動狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型采用的是非線性微分方程。這種非線性的微分方程不滿足系統(tǒng)的疊加原理，這種系統(tǒng)的運動特征也與線性系統(tǒng)不同。非線性系統(tǒng)的主要運動特征有：1.穩(wěn)定性 在線性系統(tǒng)中，系統(tǒng)的穩(wěn)定性只與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，與外部作用和初始條件無關(guān)。而非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性除了與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)外，還與外部作用及初始條件有關(guān)。在非線性系統(tǒng)中，不存在整個系統(tǒng)是否穩(wěn)定的概念，必須針對系統(tǒng)某一具體的運動狀態(tài)，才能討論系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。非線性系統(tǒng)中可能存在多個平衡狀態(tài)，而部分的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。由于非線性系統(tǒng)中初始條件的不同，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的運動趨于不同的平衡狀態(tài)，其運動的穩(wěn)定性就可能表現(xiàn)出不同的特性。2.疊加原理的不適用性 對于線性系統(tǒng)而言，其響應(yīng)曲線的形狀與輸入信號的大小及初始狀態(tài)無關(guān)，因此對于多個輸入的情況可以采用疊加原理。然而在非線性系統(tǒng)中，其響應(yīng)曲線的形狀與系統(tǒng)的輸入、系統(tǒng)的初始條件都有關(guān)系。在初始條件不同的情況下，即便是大小相同的輸入信號，也會得到完全不同形式的響應(yīng)曲線，其振蕩頻率、調(diào)節(jié)時間均不相同，而且甚至?xí)淖兤漤憫?yīng)的穩(wěn)定性和周期性。出現(xiàn)這些情況都是因為非線性系統(tǒng)不滿足疊加原理導(dǎo)致的。3.自激振蕩 自激振蕩是指非線性系統(tǒng)，在沒有外界周期變換信號作用下產(chǎn)生的，具有固定振幅和頻率的穩(wěn)定周期運動。在線性系統(tǒng)中，只有在臨界穩(wěn)定的情況下才會產(chǎn)生等幅周期運動。但線性系統(tǒng)的這種周期運動實際上是觀測不到的，因為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或者參數(shù)只要發(fā)生微小的變化或者漂移，這種臨界狀態(tài)就會被破壞。非線性系統(tǒng)的自激振蕩的振幅和頻率都是由系統(tǒng)自身的特點決定的。自激振蕩具有一定的穩(wěn)定性，當(dāng)受到某種干擾且滿足一定范圍限制的情況下，這種振蕩能夠恢復(fù)。一般的實際系統(tǒng)中，人們都不希望系統(tǒng)有自激振蕩存在。因為長時間的振蕩會造成機械磨損，并增加能耗帶來誤差。但有時候一些高頻的、小幅度的自激振蕩也會引入到系統(tǒng)中，以克服間隙、摩擦等因素造成的不利影響。4.對正弦輸入信號的響應(yīng) 在線性控制系統(tǒng)中，當(dāng)輸入正弦信號時，其輸出為同頻率、不同幅值的正弦信號。而在非線性控制系統(tǒng)中，若輸入是正弦信號，其輸出就不一定是正弦信號了，可能會產(chǎn)生跳躍諧振和多值響應(yīng)，變成一個畸變的波形。所謂跳躍諧振就是指振幅隨頻率的改變出現(xiàn)突跳的現(xiàn)象，產(chǎn)生這種跳躍諧振的原因就是系統(tǒng)中存在多值特性。5.非線性系統(tǒng)的畸變 線性系統(tǒng)在正弦信號作用下的穩(wěn)態(tài)輸出，擁有與輸入信號同頻率的正弦信號。而非線性系統(tǒng)在正弦信號的作用下，其穩(wěn)態(tài)輸出則不是正弦信號，其中還包含了倍頻和分頻等各種諧波分量，使得輸出波形發(fā)生了非線性的畸變。
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