《自动控制原理》是2006年1月1日清华大学出版社出版的图书,作者是余成波。
内容简介
本书主要介绍分析和设计
反馈控制系统的经典理论和应用方法。全书共分8章,内容包括
自动控制系统的基本概念,自动控制系统的数学模型,自动控制系统的
时域分析法、
根轨迹法、频率特性法,控制系统的校正,非线性控制系统、离散控制系统的分析和综合应用等。在每章后面分别介绍了MATLAB在自动控制理论中的一些应用,以及如何利用计算机辅助设计方法解决自动控制领域的一些系统分析和设计问题。同时,各章均提供了一定数量的习题,以帮助读者理解基本概念并掌握分析和设计方法。 本书可作为高等学校自动化专业的教材,也可作为
电气工程及其自动化、
检测技术与自动化装置等自动控制类专业教学用书,还可供从事自动控制系统工程的技术人员参考。
目录
第1章控制系统的基本概念1
1.1引言1
1.2.1开环控制系统2
1.2.2闭环控制系统3
1.3自动控制系统的组成4
1.3.1基本组成部分4
1.3.2自动控制系统中常用的名词术语5
1.4自动控制系统的分类6
1.4.1按输入信号的特点分类6
1.4.2按描述系元件的动态方程分类6
1.4.3按系统的参数是否随时间而变化分类7
1.4.4按信号的传递是否连续分类7
1.5自动控制系统的应用实例8
1.5.1炉温控制系统8
1.5.2导弹发射架方位控制系统8
1.6自动控制理论发展简史10
1.7对自动控制系统的基本要求12
习题13
第2章自动控制系统的数学模型15
2.1控制系统微分方程的建立15
2.1.1机械系统16
2.1.2电系统——RLC串联网络17
2.1.3机电系统17
2.2非线性系统微分方程的线性化19
2.2.1小偏差线性化的概念19
2.2.2非线性系统(元件)线性化处理举例19
2.2.3系统线性化的条件及步骤22
2.2.4关于线性化的几点说明22
2.3传递函数22
2.3.1传递函数的定义和性质23
2.3.2用复数阻抗法求电网络的传递函数26
2.3.3典型环节及其传递函数28
2.4控制系统的结构图及其等效变换34
2.4.1结构图的基本概念34
2.4.2结构图的组成34
2.4.3结构图的建立34
2.4.4结构图的等效变换35
2.5自动控制系统的传递函数42
2.5.1系统的开环传递函数42
2.5.2闭环系统的传递函数42
2.5.3闭环系统的偏差传递函数43
2.6信号流图45
2.6.1信号流图的基本要素45
2.6.2信号流图的常用术语45
2.6.3信号流图的性质46
2.6.4信号流图的等效变换法则46
2.6.5梅逊(Mason)公式48
2.7脉冲响应函数50
2.8控制系统数学模型的MATLAB实现50
2.8.1MATLAB简介50
2.8.2控制系统的数学模型52
2.8.3应用举例54
习题56
第3章控制系统的时域分析法61
3.1典型输入信号和时域性能指标61
3.1.1典型输入信号61
3.1.2动态过程与稳态过程64
3.1.3时域性能指标64
3.2一阶系统的动态性能66
3.2.1一阶系统的时域数学模型66
3.2.2一阶系统的重要特性69
3.3二阶系统的动态性能70
3.3.1数学模型的标准式70
3.3.2典型二阶系统的单位阶跃响应71
3.3.3典型二阶系统动态性能指标74
3.3.4二阶系统性能的改善79
3.4高阶系统的动态性能82
3.4.1三阶系统的单位阶跃响应82
3.4.2高阶系统的数学模型83
3.4.3高阶系统的单位阶跃响应83
3.4.4高阶系统的分析方法85
3.5稳定性和代数稳定判据86
3.5.1稳定的概念87
3.5.2线性定常系统稳定的充分必要条件87
3.5.3劳斯稳定判据88
3.5.4劳斯稳定判据的应用89
3.6系统稳态误差分析94
3.6.1误差与稳态误差的定义94
3.6.2控制系统的型别95
3.6.3给定输入下的稳态误差96
3.6.4扰动作用下的稳态误差98
3.6.5改善系统稳态精度的方法100
3.7控制系统时域分析的MATLAB应用102
3.7.1基于Toolbox工具箱的时域分析102
3.7.2Simulink104
习题108
第4章根轨迹法112
4.1根轨迹的基本概念112
4.1.1根轨迹概念112
4.1.2根轨迹方程114
4.2绘制根轨迹图的基本规则115
4.3控制系统根轨迹的绘制125
4.3.1单回路负反馈系统的根轨迹125
4.3.2参数根轨迹128
4.3.3多回路系统的根轨迹131
4.3.4正反馈系统的根轨迹132
4.3.5滞后系统的根轨迹134
4.4控制系统的根轨迹分析137
4.4.1闭环零极点与时间响应138
4.4.2条件稳定系统的分析140
4.4.3动态性能分析和开环系统参数的确定140
4.5应用MATLAB绘制系统的根轨迹143
4.5.1绘制根轨迹的相关函数143
4.5.2利用MATLAB绘制系统的根轨迹143
习题146第5章频率特性法149
5.1频率特性的基本概念150
5.1.1频率响应150
5.1.2频率特性151
5.1.3由传递函数求取频率特性152
5.1.4常用频率特性曲线154
5.2幅相频率特性及其绘制155
5.2.1幅相频率特性曲线(奈氏图)基本概念155
5.2.2典型环节的奈氏图156
5.2.3开环奈氏图的绘制162
5.3对数频率特性及其绘制167
5.3.1对数频率特性曲线基本概念167
5.3.2典型环节的伯德图169
5.3.3开环伯德图的绘制177
5.3.4最小相位系统180
5.3.5由实测伯德图求传递函数182
5.4.1幅角原理184
5.4.2奈奎斯特稳定判据185
5.4.3简化奈奎斯特稳定判据190
5.4.4奈奎斯特稳定判据在伯德图上的应用193
5.4.5奈奎斯特稳定判据的其他应用195
5.5控制系统的相对稳定性196
5.5.1幅值穿越频率ωc与相位穿越频率ωg197
5.5.2相位裕量198
5.5.3幅值裕量198
5.5.4系统的稳定裕量199
5.6利用开环频率特性分析系统的性能200
5.6.1开环对数幅频特性L(ω)低频段与系统性能的关系200
5.6.2开环对数幅频特性L(ω)中频段与系统动态性能的关系202
5.6.3开环对数幅频特性L(ω)高频段与系统性能的关系209
5.7闭环系统频率特性210
5.7.1闭环频域指标210
5.7.2闭环频率特性的求取211
5.7.3闭环频域指标与时域指标的关系219
5.8MATLAB在频率特性法中的应用221
5.8.1伯德图的绘制221
5.8.2奈氏图的绘制223
5.8.3尼柯尔斯图的绘制224
习题226
第6章控制系统的校正229
6.1控制系统校正的基本概念229
6.1.1控制系统的性能指标229
6.1.2校正的一般概念与基本方法230
6.1.3频率法校正232
6.1.4其他设计方法233
6.2控制系统的基本控制规律233
6.2.1基本控制规律233
6.2.2比例微分控制(PD控制器)235
6.2.3比例积分控制236
6.2.4比例积分微分控制237
6.3超前校正装置及其参数的确定238
6.3.1相位超前校正装置及其特性238
6.3.2系统超前校正的分析法设计242
6.3.3小结245
6.4滞后校正装置及其参数的确定245
6.4.1相位超前校正装置及其特性245
6.4.2串联滞后校正装置的分析法设计249
6.4.3小结252
6.5滞后超前校正装置及其参数的确定252
6.5.1相位滞后超前校正装置及其特性252
6.5.2系统滞后超前校正的分析法设计255
6.5.3小结258
6.6期望对数频率特性设计法261
6.6.1期望法设计的基本概念261
6.6.2常见系统的期望特性261
6.6.3应用实例264
6.6.4小结269
6.7基于根轨迹法的串联校正269
6.7.1根轨迹法校正的基本概念269
6.7.2利用根轨迹法设计超前校正装置271
6.7.3利用根轨迹法设计滞后校正装置274
6.7.4利用根轨迹法设计滞后超前校正装置277
6.8反馈校正装置及其参数的确定277
6.8.1反馈校正的基本概念277
6.8.2反馈校正的设计方法279
6.8.3常用反馈校正形式与功能284
6.8.4小结286
6.9控制系统校正的MATLAB应用286
6.9.1MATLAB函数在控制系统校正中的应用287
6.9.2基于Simulink的系统校正289
习题291
第7章非线性控制系统294
7.1非线性系统的基本概念294
7.1.1非线性系统的数学描述294
7.1.2非线性特性的分类295
7.1.3非线性系统的特点298
7.1.4非线性系统的分析和设计方法299
7.2二阶线性和非线性系统的相平面分析299
7.2.1相平面、相轨迹和平衡点心299
7.2.2二阶线性系统的特征301
7.2.3二阶非线性系统的特征303
7.3非线性系统的相平面分析306
7.3.1绘制相轨迹的方法306
7.3.2相轨迹求系统暂态响应309
7.3.3相轨迹分析非线性系统311
7.4非线性特性的一种线性近似表示——描述函数317
7.4.1描述函数的意义317
7.4.2典型非线性特性的描述函数318
7.4.3非线性系统的描述函数分析326
7.5非线性环节的串并联及系统的变换330
7.5.1系统线性部分的变换与集中330
7.5.2非线性环节串联的特性331
7.5.3非线性环节并联的特性332
7.6利用非线性特性改善线性系统的性能333
7.7MATLAB在非线性控制系统中的应用336
7.7.1利用MATLAB分析非线性系统的频率特性与时域响应337
7.7.2利用MATLAB绘制非线性系统的相平面图339
习题340
8.1离散控制系统的基本概念343
8.1.1离散控制系统的组成343
8.1.2离散控制系统的研究方法345
8.2采样过程与采样定理346
8.2.1采样过程346
8.2.2采样定理347
8.2.3零阶保持器349
8.3z变换350
8.3.1z变换的定义350
8.3.2z变换的方法351
8.3.3z变换的性质354
8.3.4z反变换359
8.4脉冲传递函数364
8.4.1脉冲传递函数364
8.4.2开环系统的脉冲传递函数366
8.4.3离散控制系统的闭环脉冲传递函数369
8.4.4应用z变换分析离散系统的局限性与条件375
8.4.5差分方程378
8.5稳定性分析381
8.5.1离散控制系统稳定的充分必要条件381
8.5.2离散控制系统的劳斯稳定判据384
8.6稳态误差分析386
8.6.1离散系统采样瞬时的稳态误差387
8.6.2离散系统的型别与典型输入信号作用下稳态误差387
8.7离散系统的动态性能分析391
8.7.1离散系统的时间响应391
8.7.2闭环极点与动态响应的关系393
8.8离散系统的数字校正396
8.8.2最少拍系统设计399
8.9MATLAB在离散控制系统中的应用404
8.9.1利用Toolbox工具箱分析离散系统404
8.9.2利用Simulink分析离散系统406
习题408
附录A经典控制理论常用词汇411
附录B控制系统分析中的MATLAB常用函数416
附录C1常用信号的拉普拉斯变换421
附录C2拉普拉斯变换的性质及定理422
参考书目423