控制工程基础

第1章　绪论 1

1.1　控制工程概述 1

1.2　控制系统的结构 2

1.2.1　开环控制系统 2

1.2.2　闭环控制系统 3

1.2.3　反馈控制系统的组成 5

1.3　控制系统的基本类型 6

1.3.1　按输入信号的特征分类 6

1.3.2　按控制器的实现方式分类 7

1.3.3　按有无误差分类 7

1.4　对控制系统的基本要求 7

1.4.1　稳定性 8

1.4.2　快速性 9

1.4.3　准确性 9

习题 9

第2章　控制系统的数学模型 11

2.1　控制系统的微分方程 11

2.1.1　线性系统与非线性系统 11

2.1.2　微分方程的建立 13

2.1.3　微分方程的求解 17

2.2　控制系统的传递函数 17

2.2.1　传递函数的定义 18

2.2.2　传递函数的特点 18

2.2.3　传递函数的形式 19

2.3　典型环节的传递函数 19

2.3.1 比例环节 19

2.3.2　微分环节 20

2.3.3　积分环节 23

2.3.4　惯性环节 24

2.3.5　一阶微分环节 25

2.3.6　二阶振荡环节 26

2.3.7　二阶微分环节 27

2.3.8　延时环节 28

2.4　控制系统的函数方框图模型 29

2.4.1　控制系统的基本连接方式 29

2.4.2　扰动作用下的闭环控制系统 31

2.4.3　函数方框图的绘制 32

2.4.4　函数方框图的简化 33

2.5　典型系统的数学模型分析 36

2.5.1　机械系统 37

2.5.2　电气系统 38

2.5.3　机电液系统 39

习题 40

第3章　控制系统的时域分析 44

3.1　控制系统的瞬态响应 44

3.1.1　典型输入信号 44

3.1.2　时间响应及其组成 47

3.1.3　控制系统的时域性能指标 48

3.2　一阶系统的时间响应 50

3.2.1　一阶系统的数学模型 50

3.2.2　一阶系统的单位阶跃响应 51

3.3　二阶系统的时间响应 56

3.3.1　二阶系统的数学模型 56

3.3.2　二阶系统的时间响应 59

3.3.3　二阶系统的时域性能指标 63

3.4　高阶系统的时间响应 68

3.4.1 高阶系统的时间响应分析 68

3.4.2　高阶系统的性能分析 69

习题 71

第4章　控制系统的频率特性分析 75

4.1　频率特性的基本概念 75

4.1.1　频率响应 75

4.1.2　频率特性及其求取方法 76

4.1.3　频率特性的图形表示法 77

4.2　典型环节的频率特性 79

4.2.1 比例环节 79

4.2.2　积分和微分环节 80

4.2.3　一阶环节 81

4.2.4　二阶环节 83

4.2.5　延时环节 86

4.3　控制系统的频率特性分析 87

4.3.1　系统开环频率特性图 87

4.3.2　系统开环对数频率特性图 91

4.3.3　最小相位系统与非最小相位系统 94

4.4　闭环系统的频域分析 96

4.4.1 闭环系统的频率特性图 96

4.4.2　由开环频率特性估计闭环频率特性 97

4.4.3　闭环系统频域性能分析 98

习题 100

第5章　控制系统的性能分析 103

5.1　控制系统的稳定性分析 103

5.1.1　控制系统稳定性的基本概念 103

5.1.2　代数稳定判据 105

5.1.3　控制系统稳定性的频域判据 112

5.1.4　控制系统的相对稳定性分析 120

5.2　控制系统的稳态性能分析 127

5.2.1　系统误差和误差传递函数 127

5.2.2　系统静态误差的计算 130

5.2.3　动态误差分析 138

5.2.4　系统开环对数幅频特性与闭环稳态误差的关系 141

5.3　控制系统的动态性能分析 143

5.3.1　系统动态性能与开环频率特性间的关系 143

5.3.2　系统动态性能与闭环频率特性间的关系 145

习题 148

第6章　控制系统的综合与校正 154

6.1　控制系统校正概述 154

6.2　控制系统的串联校正 155

6.2.1　相位超前校正 155

6.2.2　相位滞后校正 158

6.2.3　滞后-超前校正 160

6.2.4　PID校正 163

6.3　控制系统的并联校正 166

6.3.1　反馈校正 166

6.3.2　顺馈校正 167

习题 168

第7章　采样控制系统分析基础 170

7.1　概述 170

7.2　信号的采样与复原 171

7.2.1　信号的采样 171

7.2.2　信号的复原 174

7.3　z变换 175

7.3.1　z变换的定义 175

7.3.2　z变换的性质 177

7.3.3　z反变换 179

7.4　线性离散系统的差分方程 181

7.4.1　差分方程的数学描述 181

7.4.2　差分方程的求解 182

7.5　脉冲传递函数 183

7.5.1　脉冲传递函数的定义 183

7.5.2　脉冲传递函数的求解方法 184

7.5.3　脉冲传递函数的连接方式 184

7.5.4　闭环系统的脉冲传递函数 185

7.6　采样控制系统的性能分析 186

7.6.1　采样控制系统的稳定性分析 186

7.6.2　采样控制系统的稳态性分析 189

7.6.3　采样控制系统的动态特性分析 190

习题 192

第8章　基于MATLAB语言的控制系统分析 194

8.1　MATLAB语言简介 194

8.1.1　基本操作及命令 194

8.1.2　MATLAB函数 196

8.1.3　绘制响应曲线 197

8.1.4　MATLAB语言的联机帮助功能 199

8.2　数学模型的MATLAB描述 200

8.2.1　连续系统数学模型的MATLAB表示 200

8.2.2　离散系统数学模型的MATLAB表示 204

8.2.3　模型之间的转换 204

8.2.4　控制系统的建模 205

8.2.5　simulink建模方法——复杂系统的模型处理方法 205

8.3　控制系统的性能分析 207

8.3.1　控制系统的时域分析 207

8.3.2　控制系统的频域分析 211

8.3.3　控制系统的稳定性分析 213

8.4　控制系统的校正 216

习题 218

附录A　拉普拉斯变换 219

一、拉普拉斯变换 219

二、拉普拉斯变换的基本定理 221

三、拉普拉斯反变换 223

四、拉普拉斯变换应用举例 227

参考文献 229