连续与离散控制工程

第1章 绪论 1

1.1概述 1

1.2自动控制系统的结构原理及基本要求 1

1.2.1自动控制系统的结构原理 1

1.2.2控制系统的基本要求 2

1.2.3离散控制系统的组成 3

1.3控制系统的分类和特点 4

1.3.1控制系统按照控制方式的分类 4

1.3.2控制系统按照控制规律分类 5

1.4控制系统的发展概况和展望 6

习题 7

第2章 连续控制系统的机理建模 8

2.1概述 8

2.1.1控制系统的数学模型 8

2.1.2系统的建模 8

2.1.3机理建模的模型形式 9

2.2控制系统的微分方程描述 10

2.2.1系统微分方程的建立步骤 10

2.2.2建立系统微分方程举例 10

2.3控制系统的框图和传递函数 12

2.3.1基本概念 13

2.3.2系统框图的建立 15

2.3.3梅森公式 18

2.3.4系统传递函数的获取 21

2.3.5典型系统的框图及传递函数 23

2.4控制系统的状态空间描述 26

2.4.1基本概念 26

2.4.2状态空间方程的建立 26

2.4.3状态空间方程的一般形式 29

2.5各种模型间的转换 31

2.5.1状态空间方程的框图表示 31

2.5.2状态空间方程和传递矩阵 32

2.6非线性系统的偏微线性化 33

2.6.1非线性因素和偏微线性化 33

2.6.2非线性方程的线性化 33

2.6.3例题 35

2.7 MATLAB在建模中的应用 35

习题 38

第3章 控制系统的稳定性 43

3.1稳定性的概念 43

3.1.1研究系统稳定性的意义 43

3.1.2稳定性的定义 43

3.2系统稳定性的判定 45

3.2.1闭环极点和稳定性的关系 45

3.2.2劳斯判据 46

3.2.3奈奎斯特判据 50

3.2.4系统稳定性的改进 59

3.3系统稳定性的MATLAB仿真 61

习题 64

第4章 连续控制系统的时域分析 68

4.1典型输入信号及动态性能指标 68

4.1.1典型输入信号 68

4.1.2时域动态指标 70

4.2一阶系统动态分析 72

4.2.1一阶系统的数学模型 72

4.2.2一阶系统的单位阶跃响应 73

4.2.3一阶系统的单位脉冲响应 74

4.2.4一阶系统的单位斜坡响应 74

4.3二阶系统的动态分析 75

4.3.1典型二阶系统的模型 75

4.3.2典型二阶系统的单位阶跃响应 76

4.3.3典型二阶系统的动态指标 78

4.4高阶系统及二阶近似 82

4.4.1高阶系统的单位阶跃响应 82

4.4.2闭环主导极点 83

4.4.3高阶系统的二阶近似 84

4.5控制系统的稳态误差 87

4.5.1误差的定义 87

4.5.2误差传递函数 88

4.5.3误差的计算 89

4.6系统性能的MATLAB仿真 93

习题 95

第5章 频率特性法 102

5.1频率特性与频率特性法 102

5.1.1线性系统的频率响应 102

5.1.2基本概念 103

5.1.3频率特性法及其特点 103

5.2基本环节的频率特性 103

5.2.1比例环节 104

5.2.2惯性环节 104

5.2.3积分环节 106

5.2.4二阶振荡环节 106

5.2.5由对称性获得特性曲线的环节 107

5.2.6时滞环节 108

5.2.7系统开环传递函数伯德图的绘制 108

5.3频率特性指标 110

5.3.1开环频率特性指标 110

5.3.2闭环频率特性指标 111

5.3.3开环和闭环频率特性的关系 111

5.3.4频域指标和时域指标的关系 112

5.4开环频率特性的系统分析方法 113

5.4.1低频段 113

5.4.2高频段 115

5.4.3中频段 115

5.4.4系统性能分析 118

5.5控制系统的频率法校正 119

5.5.1基本概念 119

5.5.2基本控制规律和校正装置 122

5.5.3分析法的串联校正 128

5.5.4期望特性法实现系统的串联校正 132

5.5.5反馈校正 133

5.6频率特性法的MATLAB仿真 137

习题 140

第6章 根轨迹法 148

6.1基本概念 148

6.2绘制根轨迹图的基本规则 149

6.2.1规则一 根轨迹的分支 149

6.2.2规则二 根轨迹的连续性和对称性 149

6.2.3规则三 根轨迹的起点和终点 149

6.2.4规则四 根轨迹的渐近线 150

6.2.5规则五 实轴上的根轨迹 151

6.2.6规则六 根轨迹与实轴的交点 151

6.2.7规则七 根轨迹的出射角与入射角 153

6.2.8规则八 根轨迹与虚轴的交点及临界值kc 155

6.2.9规则九 根轨迹系数k的求取 156

6.3绘制根轨迹图 157

6.3.1绘制根轨迹图的步骤 157

6.3.2例题 157

6.4参数根轨迹 161

6.5开环零极点对根轨迹的影响 162

6.5.1开环零点对根轨迹的影响 163

6.5.2开环极点对根轨迹的影响 164

6.5.3附加开环零极点对系统稳态性能的影响 165

6.6利用根轨迹法进行系统性能分析 166

6.7利用根轨迹法校正 168

6.7.1校正方法在根轨迹图中的体现 168

6.7.2串联超前校正 169

6.7.3串联滞后校正 171

6.8根轨迹的MATLAB仿真 173

习题 176

第7章 连续域现代控制理论基础 180

7.1线性定常系统状态方程的解 180

7.1.1齐次状态方程的解 180

7.1.2非齐次状态方程的解 184

7.2控制系统的可控性和可观性 187

7.2.1系统可控性 187

7.2.2系统可观测性 192

7.2.3对偶原理 193

7.3线性定常系统的线性变换 194

7.3.1线性变换 194

7.3.2化系统﹛A，B｝为可控标准型 195

7.3.3化系统﹛A，C｝为可观测标准型 197

7.4控制系统的状态空间设计 199

7.4.1线性定常系统常用反馈结构及其对系统特性的影响 199

7.4.2状态反馈的极点配置设计法 201

7.4.3状态观测器设计及分离特性 205

7.5状态空间法的MATLAB仿真 213

习题 215

第8章 数据采集与数据保持 221

8.1概述 221

8.2信号采样问题 222

8.2.1采样过程 222

8.2.2理想采样信号的时域表示 223

8.2.3理想采样信号的频域表达 223

8.2.4采样定理 225

8.3零阶保持器 227

8.3.1零阶保持器的时域特性 228

8.3.2零阶保持器的频域特性 228

习题 229

第9章 线性离散控制系统数学描述与分析 230

9.1概述 230

9.2脉冲传递函数 230

9.2.1求脉冲传递函数 230

9.2.2对开环和闭环系统求脉冲传递函数 231

9.3离散状态空间描述 240

9.4连续系统状态方程的离散化 242

9.5线性定常离散系统的稳定性分析 245

9.5.1 S平面与Z平面的关系 245

9.5.2稳定性判别 246

9.6离散控制系统的稳态误差分析 248

9.7 MATLAB在模型转换、稳定性、稳态误差和规范型转换中的应用 250

习题 257

第10章 离散控制系统的经典法设计 259

10.1概述 259

10.2控制系统的离散化方法 259

10.2.1六种离散化方法 259

10.2.2六种离散化方法的特点 265

10.3 PID控制器及其算式 266

10.3.1 PID控制器 266

10.3.2 PID控制器的各种算法 268

10.4数字PID控制器的参数整定 273

10.4.1扩充临界比例度法 273

10.4.2扩充响应曲线法 274

10.4.3归一参数整定法 275

10.4.4优选法（0.618法） 275

10.5用MATLAB进行连续模型的离散化等效和PID参数仿真研究 275

习题 281

第11章 数字控制器的直接设计 283

11.1概述 283

11.2 W’平面的频域法设计 283

11.2.1两种平面的变换 283

11.2.2 W’平面伯德图法设计 284

11.3根轨迹设计 288

11.3.1控制系统设计的根轨迹指标 288

11.3.2根轨迹的绘制 289

11.3.3离散控制系统的根轨迹法设计 290

11.4 MATLAB在根轨迹中的应用 293

习题 295

第12章 状态空间分析和设计 298

12.1离散系统的可控性和可观测性 298

12.1.1可控性 298

12.1.2可观测性 299

12.2离散控制系统状态反馈的极点配置设计 301

12.3观测器的设计 303

12.3.1状态观测器的原理与结构 303

12.3.2带有状态观测器的控制器的设计 304

12.3.3分离特性 305

12.3.4全阶观测器设计举例 305

12.4 MATLAB在现代控制理论中的应用 307

习题 309

第13章 离散控制系统设计与实现 312

13.1概述 312

13.2离散控制系统设计的基本原则和主要步骤 312

13.2.1控制系统设计的基本原则 312

13.2.2控制系统设计的主要步骤 314

13.3控制系统的设计及其实现过程 315

13.4温度控制系统的设计举例 320

习题 326

附录 常用拉普拉斯变换和Z变换表 328

参考文献 330