自动控制原理

目 录
前言
第1章 绪论
1.1 自动控制系统的工作机理与研究范围
1.1.1 自动控制的定义
1.1.2 开环控制与闭环控制
1.2 自动控制系统分类
1.2.1 按信号传递、 处理和描述关系性质的分类
1.2.2 按系统数学模型性质的分类
1.2.3 按系统结构复杂度的分类
1.2.4 按系统结构、 参数和信号共性的分类
1.3 控制理论与应用研究的主要问题
1.3.1 控制理论研究的典型问题
1.3.2 控制系统的基本特性
1.3.3 控制系统的参考信号
1.3.4 瞬态响应的特性指标
1.4 控制理论与应用研究的交叉学科
1.5 习题
第 2 章 控制系统数学模型与建模方法
2.1 控制系统数学模型的定义与类型
2.1.1 数学模型的定义
2.1.2 系统模型的类型
2.2 数学模型建立的一般步骤
2.3 控制系统数学模型的后处理技术
2.3.1 微分或差分方程的一般形式
2.3.2 非线性模型的线性化
2.3.3 模型降阶
2.4 控制系统的传递函数模型
2.4.1 传递函数的定义
2.4.2 传递函数的零极点
2.4.3 传递函数与输入输出关系
2.4.4 典型环节及其传递函数
2.5 SISO 系统框图与传递函数
2.5.1 框图的定义与绘制
2.5.2 框图的基本联接形式
2.5.3 框图结构变换与简化
2.5.4 控制系统的信号流图
2.5.5 梅森 （Mason） 增益公式
2.6 MIMO 系统框图与传递函数矩阵
2.6.1 传递函数矩阵定义及其输入输出关系
2.6.2 MIMO 系统的基本联接形式
2.6.3 广义信号流图与 MIMO 系统简化
2.6.4 系统耦合的定义与意义
2.6.5 系统解耦方法一 ———对角化解耦
2.6.6 系统解耦方法二 ———对角优势化解耦
2.7 习题
第 3 章 控制系统特性的时域分析法
3.1 时域分析法概述
3.2 系统对输入的稳态误差分析
3.2.1 稳态误差定义及其指标
3.2.2 系统按积分环节数分类
3.2.3 稳态误差的计算方法
3.2.4 各型系统稳态误差计算与比较
3.2.5 稳态误差的物理意义
3.2.6 稳态误差与零极点的关系
3.3 系统对扰动输入的稳态误差分析
3.4 系统特性变化的稳态误差分析
3.4.1 系统静特性变化对输出响应的影响
3.4.2 一般系统变化对输出响应的影响
3.4.3 灵敏度定义与分析
3.5 系统对输入激励的瞬态响应分析
3.5.1 瞬态响应的若干术语
3.5.2 输入输出的时域卷积分关系
3.5.3 典型环节的瞬态响应计算
3.5.4 二阶系统瞬态响应指标计算
3.5.5 高阶系统瞬态分析
3.6 系统对输入的动态误差分析
3.6.1 动态误差系数的定义
3.6.2 动态误差的物理意义
3.7 控制系统的时间区间误差性能简介
3.8 系统稳定性概念及其代数判据
3.8.1 系统稳定性的定义及意义
3.8.2 线性定常系统稳定性与传递函数的关系
3.8.3 线性定常系统稳定性的代数判据
3.9 系统传递函数的模型降阶
3.9.1 模型降阶的 Pade 近似法
3.9.2 模型降阶的 Routh－Pade 近似法
3.9.3 模型降阶的 Routh 直接近似法
3.10 习题
第 4 章 控制系统特性的根轨迹分析法
4.1 根轨迹定义及其基本性质
4.1.1 根轨迹的定义
4.1.2 根轨迹的基本性质
4.2 系统根轨迹的绘制方法一 ———图解法
4.2.1 图解法的基本规则
4.2.2 图解法绘制根轨迹的一般步骤
4.3 系统根轨迹的绘制方法二 ———解析法
4.3.1 根轨迹方程的 δ－ω 方程转化
4.3.2 根轨迹方程的曲线解析形式
4.3.3 典型系统根轨迹的 δ－ω 解析式
4.3.4 解析法中根轨迹开环增益Ｋ的确定
4.3.5 叠加性在高阶系统根轨迹绘制中的应用
4.4 系统根轨迹的绘制方法三 ———计算机辅助绘制法
4.4.1 直接法一 ———基于根轨迹方程的直接法
4.4.2 直接法二 ———基于解析法的直接法
4.4.3 直接法三 ———基于 Routh 阵列的直接法
4.4.4 间接法———数值积分法
4.5 几类特殊控制系统的根轨迹及其绘制
4.5.1 正反馈系统的根轨迹绘制
4.5.2 多参变量的根轨迹簇
4.5.3 非标准形式参量系统的根轨迹
4.5.4 含时滞环节系统的根轨迹
4.5.5 含分布时滞系统的根轨迹
4.6 习题
第 5 章 控制系统特性的频率域分析法
5.1 频率域分析法概述
5.2 系统频率特性定义及其与传递函数的关系
5.2.1 系统频率特性定义
5.2.2 系统频率特性与传递函数的关系
5.2.3 系统的复域、 时域和频域传递关系
5.2.4 频率特性与基本特性的分区关系
5.3 系统频率特性分析法一 ———极坐标图
5.3.1 极坐标图的定义与绘制
5.3.2 典型环节的极坐标图
5.3.3 一般系统的极坐标图绘制
5.3.4 极坐标图与小相位系统
5.3.5 极坐标图与 Nyquist 稳定判据
5.3.6 复放缩 Nyquist 稳定判据
5.3.7 极坐标图与系统的稳定裕量
5.3.8 关于极坐标图的绕向问题
5.3.9 传递函数模型降阶的频域方法
5.3.10 传递函数模型辨识的频域方法
5.3.11 二阶系统频域性能指标与阻尼系数的关系
5.4 系统频率特性分析法二 ———对数坐标图
5.4.1 对数坐标图的定义与绘制
5.4.2 典型环节频率特性的对数坐标图
5.4.3 一般系统的对数坐标图绘制
5.4.4 对数坐标图应用一 ———稳态误差的读图计算
5.4.5 对数坐标图应用二 ———稳定分析与稳定裕量读图计算
5.4.6 对数坐标图应用三———传递函数模型的读图辨识与降阶
5.4.7 对数坐标图应用四———瞬态特性的读图计算
5.4.8 小相位系统的对数坐标图性质
5.5 习题
第 6 章 控制系统校正与综合的经典方法
6.1 系统校正与综合的定义与问题
6.1.1 系统综合的定义和主要问题
6.1.2 控制系统综合的经典方法
6.2 典型校正装置及其特性
6.2.1 微分校正装置
6.2.2 积分校正装置
6.2.3 积分－微分校正装置
6.2.4 常见无源校正装置
6.2.5 常见有源校正装置
6.3 系统校正的根轨迹综合设计法
6.3.1 附加零极点对根轨迹的影响
6.3.2 串联微分校正装置的根轨迹设计
6.3.3 串联积分校正装置的根轨迹设计
6.3.4 串联积分－微分校正装置的根轨迹设计
6.3.5 串联校正装置的直接综合法
6.4 系统校正的频域综合设计法
6.4.1 频域综合法的基本步骤
6.4.2 各种时域指标与频域指标的关系
6.4.3 串联校正装置的对数坐标图综合法
6.4.4 并联校正装置的对数坐标图综合法
6.5 习题
第 7 章 线性离散控制系统的分析基础
7.1 离散控制系统的研究范围
7.2 离散控制系统的基本概念
7.2.1 采样控制系统的基本环节与结构
7.2.2 采样过程及其脉冲序列表现
7.2.3 周期采样与采样定理
7.2.4 保持器与模拟信号恢复
7.3 离散信号ｚ－变换及其基本性质
7.3.1 ｚ－变换的定义
7.3.2 ｚ－变换函数的求法
7.3.3 ｚ－变换的基本性质
7.3.4 ｚ－逆变换及其求法
7.4 采样控制系统的数学模型
7.4.1 差分方程及其解法
7.4.2 脉冲传递函数
7.5 离散控制系统的稳定性分析
7.5.1 ｓ－平面与 ｚ－平面的映射关系
7.5.2 离散控制系统的稳定判据
7.5.3 离散控制系统稳定性的 Routh 判据
7.5.4 离散控制系统稳定性的Schur－Cohn 判据
7.5.5 离散控制系统稳定性的 Ｊury 判据
7.6 离散控制系统的稳态误差分析
7.7 离散控制系统的瞬态特性分析
7.7.1 离散控制系统极点和瞬态响应的关系
7.7.2 离散控制系统瞬态特性的主导极点
7.8 离散控制系统的校正与综合设计
7.8.1 离散控制系统校正的概念与方法
7.8.2 校正装置的设计方法
7.8.3 少拍系统的特性与设计
7.9 离散控制系统的复域／频域分析
7.9.1 离散控制系统分析的根轨迹法
7.9.2 离散控制系统稳定性的复放缩 Nyquist 判据
7.9.3 离散控制系统的频域特性及其性质
7.10 习题
第 8 章 控制系统特性的状态空间分析法
8.1 状态空间的基本概念与模型建立
8.1.1 状态空间的基本概念
8.1.2 状态空间模型的建立
8.1.3 状态空间模型的主要标准型
8.1.4 几类特殊系统的状态空间模型
8.2 状态方程组求解与状态转移矩阵
8.2.1 线性时不变状态方程组的解
8.2.2 线性定常系统状态转移矩阵的概念、性质和求取方法
8.2.3 线性定常系统状态方程求解与示例
8.3 状态空间模型与传递函数模型的关系
8.3.1 状态空间模型与传递函数 （或传递函数矩阵）
8.3.2 同一传递函数的不同状态空间实现的关系
8.4 基于状态空间模型的稳定性分析
8.4.1 状态稳定性的几个数学概念
8.4.2 系统稳定性判定的 Lyapunov 第二法
8.4.3 线性定常状态空间模型的稳定性
8.5 系统状态的能控性和能观性
8.5.1 能控性的定义与判据
8.5.2 能观性的定义与判据
8.5.3 能控性与能观性的对偶性
8.5.4 能控性／能观性的辐角原理判据
8.6 习题
第 9 章 非线性控制系统的分析基础
9.1 非线性系统概述
9.1.1 非线性及其基本特性
9.1.2 典型非线性环节
9.1.3 非线性系统的主要特性
9.1.4 非线性系统的建模方法
9.2 非线性系统的时域分析法———相平面法
9.2.1 相平面的定义与基本概念
9.2.2 相平面图的绘制
9.2.3 二阶线性定常系统的相平面分析
9.2.4 二阶非线性系统的相平面分析
9.3 非线性系统的频域分析法———描述函数法
9.3.1 描述函数的定义与基本性质
9.3.2 非线性环节描述函数的计算
9.3.3 基于描述函数法的非线性系统稳定分析
9.4 Luré 非线性系统与稳定性分析
9.4.1 Luré 非线性系统描述和基本概念
9.4.2 Luré 非线性系统的经典圆盘稳定判据
9.4.3 基于复放缩 Nyquist 轨迹的圆盘稳定判据
9.5 习题
附录 常用函数的Laplace 变换／ｚ－变换对照表
参考文献