Modern Control Engineering:Fourth Edition

第1章 控制系统简介

11 引言

111 历史的回顾

112 定义

12 控制系统举例

121 速度控制系统

122 温度控制系统

123 业务系统

13 闭环控制和开环控制

131 反馈控制系统

132 闭环控制系统

133 开环控制系统

134 闭环与开环控制系统的比较

14 本书概貌

第2章 拉普拉斯变换*

21 引言

22 复变量和复变函数

221 复变量

222 复变函数

223 尤拉定理

. 23 拉普拉斯变换

231 拉普拉斯变换的存在

232 指数函数

233 阶跃函数

234 斜坡函数

235 正弦函数

236 说明

237 平移函数

238 脉动函数

239 脉冲函数

2310 玣(t)与e-αt相乘

2311 时间比例尺的改变

2312 关于拉普拉斯积分下限的说明

24 拉普拉斯变换定理

241 实微分定理

242 终值定理

243 初值定理

244 实积分定理

245 复微分定理

246 卷积积分

247 两个时间函数乘积的拉普拉斯变换

248 小结

25 拉普拉斯反变换

251 求拉普拉斯反变换的部分分式展开法

252 只包含不同极点的玣(s)的部分分式展开

253 包含多重极点的玣(s)的部分分式展开

254 说明

26 用matlab进行部分分式展开

2.6.1 用matlab进行部分分式展开

2.6.2 用matlab求玝(s)/a(s)的零点和极点

27 解线性定常微分方程

例题和解答

习题

第3章 动态系统的数学模型

31 引言

311 数学模型

312 简化性和精确性

313 线性系统

314 线性定常系统和线性时变系统

315 本章要点

32 传递函数和脉冲响应函数

321 传递函数

322 传递函数的说明

323 卷积积分

324 脉冲响应函数

33 自动控制系统

331 方块图

332 闭环系统的方块图

333 开环传递函数和前向传递函数

334 闭环传递函数

3.3.5 用matlab求串联、并联和反馈(闭环)传递函数

3.3.6 自动控制器

3.3.7 工业控制器分类

3.3.8 双位或开[cd*3]关控制作用

3.3.9 比例控制作用

3.3.10 积分控制作用

3.3.11 比例-加-积分控制作用

3.3.12 比例-加-微分控制作用

3.3.13 比例-加-积分-加-微分控制作用

3314 扰动作用下的闭环系统

3315 画方块图的步骤

3316 方块图的简化

34 状态空间模型

341 现代控制理论

342 现代控制理论与传统控制理论的比较

343 状态

344 状态变量

345 状态向量

346 状态空间

347 状态空间方程

348 传递函数与状态空间方程之间的关系

349 传递矩阵

35 动态系统的状态空间表达式

351 线性微分方程作用函数中不包含导数项的n阶系统的状态空间表达式

352 线性微分方程作用函数中包含导数项的n阶系统的状态空间表达式

3.6 用matlab进行数学模型变换

3.6.1 由传递函数变换为状态空间表达式

3.6.2 由状态空间表达式变换为传递函数

37 机械系统

38 电气和电子系统

381 玪rc电路

382 状态空间表示

383 串联元件的传递函数

384 复阻抗

385 无负载效应串联元件的传递函数

386 电子控制器

387 运算放大器

388 反相放大器

389 非反相放大器

3810 求传递函数的阻抗法

3811 利用运算放大器构成的超前或滞后网络

3812 利用运算放大器构成的pid控制器

3.9 信号流图

391 信号流图

392 定义

393 信号流图的性质

394 信号流图代数

395 线性系统的信号流图表示法

396 控制系统的信号流图

397 信号流图的梅逊增益公式

3.9.8 小结

310 非线性数学模型的线性化

3101 非线性系统的线性化

3102 非线性数学模型的线性近似

例题和解答

习题

第4章 流体系统和热力系统的数学模型*

41 引言

42 液位系统

421 液位系统的液阻和液容

422 液位系统

423 相互有影响的液位系统

43 气动系统

431 气动系统和液压系统之间的比较

432 气动系统

433 压力系统的气阻和气容

434 压力系统

435 气动喷嘴[cd*3]挡板放大器

436 气动接续器

437 气动比例控制器(力[cd*3]距离型)

438 气动比例控制器(力[cd*3]平衡型)

439 气动执行阀

4310 获得微分控制作用的基本原理

4311 获得气动比例[cd*3]加[cd*3]积分控制作用的方法

4312 获得气动比例[cd*3]加[cd*3]积分[cd*3]加[cd*3]微分控制作用的方法

44 液压系统

441 液压系统

442 液压系统的优缺点

443 说明

444 液压伺服系统

445 液压积分控制器

446 液压比例控制器

447 缓冲器

448 获得液压比例[cd*3]加[cd*3]积分控制作用的方法

449 获得液压比例[cd*3]加[cd*3]微分控制作用的方法

4410 获取液压比例[cd*3]加[cd*3]积分[cd*3]加[cd*3]微分控制作用的方法

45 热力系统

451 热阻和热容

452 热力系统

例题和解答

习题

第5章 瞬态响应和稳态响应分析

51 引言

511 典型试验信号

512 瞬态响应和稳态响应

513 绝对稳定性、相对稳定性和稳态误差

514 本章要点

52 一阶系统

521 一阶系统的单位阶跃响应

522 一阶系统的单位斜坡响应

523 一阶系统的单位脉冲响应

524 线性定常系统的重要特性

53 二阶系统

5.3.1 伺服系统

532 二阶系统的阶跃响应

533 瞬态响应指标的定义

534 关于瞬态响应指标的几点说明

535 二阶系统及其瞬态响应指标

536 带速度反馈的伺服系统

537 二阶系统的脉冲响应

54 高阶系统

5.4.1 高阶系统的瞬态响应

5.4.2 闭环主导极点

5.4.3 复平面上的稳定性分析

5.5 用matlab进行瞬态响应分析

5.5.1 引言

552 线性系统的matlab表示

553 在图形屏幕上书写文本

5.5.4 标准二阶系统的matlab描述

5.5.5 求传递函数系统的单位阶跃响应

5.5.6 用matlab作单位阶跃响应曲线的三维图

5.5.7 用matlab求上升时间、峰值时间、最大过调量和调整时间

558 脉冲响应

559 求脉冲响应的另一种方法

5510 斜坡响应

5511 在状态空间中定义的系统的单位斜坡响应

5512 求对任意输入信号的响应

5513 对初始条件的响应

5514 对初始条件的响应(状态空间方法，情况1)

5515 对初始条件的响应(状态空间方法，情况2)

5.5.16 利用命令lnitial求对初始条件的响应

56 用matlab解题举例

561 机械振动系统

562 用matlab求解

57 劳斯稳定判据

571 劳斯稳定判据简介

572 特殊情况

573 相对稳定性分析

574 劳斯稳定判据在控制系统分析中的应用

58 积分和微分控制作用对系统性能的影响

581 积分控制作用

582 系统的比例控制

583 系统的积分控制

584 对转矩扰动的响应(比例控制)

585 对转矩扰动的响应(比例布营不分控制)

586 微分控制作用

587 带惯性负载系统的比例控制

588 具有惯性负载系统的比例布营参⒎挚刂篇

589 二阶系统的比例布营参⒎挚刂篇

59 单位反馈控制系统中的稳态误差

591 控制系统的分类

592 稳态误差

593 静态位置误差常数玨璸玔wtbz]

594 静态速度误差常数玨璿

595 静态加速度误差常数玨璦

596 小结

例题和解答

习题

第６章 根轨迹分析

６保 引言

６保豹保 根轨迹法

６保豹保 本章要点

６保 根轨迹图

６保勃保 辐角和幅值系统

６保勃保 示例

６保 根轨迹作图的一般规则

６保唱保 根轨迹作图的一般规则

６保唱保 关于根轨迹图的说明

６保唱保 ｇ(ｓ)的极点与ｈ(ｓ)的零点的抵消

６保唱保 典型的极擦愕惴植技捌湎嘤Φ母轨迹

６保唱保 小结

６保 用ｍａtｌａb作根轨迹图

6.4.1 用matlab作根轨迹图

6.4.2 定常ζ轨迹和定常ω璶轨迹

6.4.3 根轨迹与定常增益轨迹的正交性

6.4.4 求根轨迹上任意点的增益玨值

6.4.5 非最小相位系统

６保 正反馈系统

６保 条件稳定系统

６保 具有传递延迟的系统的根轨迹

6.7.1 传递延迟和停歇时间的近似

6.7.2 停歇时间的matlab近似计算

例题和解答

习题

第７章 控制系统设计的根轨迹法

７保 引言

７保豹保 性能指标

７保豹2 用根轨迹法进行设计

７保豹3 系统的校正

７保豹4 串联校正和并联(或反馈)校正

７保豹5 校正装置

７保豹6 设计步骤

７保豹7 本章要点

７2 初步设计研究

７2保 控制系统设计的根轨迹法

７22 增加极点的影响

７23 增加零点的影响

７3 超前校正

７3保 超前校正装置

７32 基于根轨迹法的超前校正技术

７保 滞后校正

７保椽保 采用运算放大器的电子滞后校正装置

７保椽2 基于根轨迹法的滞后校正

７保椽3 用根轨迹法进行滞后校正设计的步骤

７保 滞后[cd*3]超前校正

７保氮保 利用运算放大器构成的电子滞后[cd*3]超前校正装置

７保氮2 基于根轨迹法的滞后[cd*3]超前校正方法

76 并联校正

761 并联校正系统设计的基本原理

7.6.2 速度反馈系统

例题和解答

习题

第8章 频率响应分析

81 引言

811 求系统对正弦输入信号的稳态输出

812 用图形表示频率响应特性

813 本章要点

82 伯德图

821 伯德图或对数坐标图

822 玤(jω)h(jω)的基本因子

823 增益玨

824 积分和微分因子[ｗtbｘ](jω)┇1

825 一阶因子(1+玧ωt)┇海豹

826 二阶因子[ｊb(［]１＋２ζ(ｊω／ωｎ)＋(ｊω／ωｎ)２１

８保勃保 谐振频率ωｒ和谐振峰值ｍｒ

８保勃保 绘制伯德图的一般步骤

８保勃保 最小相位系统和非最小相位系统

８保勃保保 传递延迟

８保勃保保 系统类型与对数幅值曲线之间的关系

８保勃保保 静态位置误差常数的确定

８保勃保保 静态速度误差常数的确定

８保勃保保 静态加速度误差常数的确定

８保 用ｍａtｌａb作伯德图

８保 极坐标图

８41 积分和微分因子(ｊω)┇海豹

８保椽2 一阶因子(１＋ｊωt)┇海豹

８4保 二阶因子１＋２ζ(ｊω／ωｎ)＋(ｊω／ωｎ)２１

８44 极坐标图的一般形状

８保 用ｍａtｌａb作奈奎斯特图

８51 注意事项

８52 定义在状态空间的系统的奈奎斯特图画法

８保 对数幅蚕嗤吉

８保 奈奎斯特稳定判据

８保藩保 预备知识

８保藩保 映射定理

８保藩保 映射定理在闭环系统稳定性分析中的应用

８保藩保 奈奎斯特稳定判据

８保藩保 关于奈奎斯特稳定判据的几点说明

８保藩保 ｇ(ｓ)ｈ(ｓ)含有位于ｊω轴上的极点和(或)零点的特殊情况

８保 稳定性分析

８保釜保 条件稳定系统

８保釜保 多回路系统

８保釜保 应用于逆极坐标图上的奈奎斯特稳定判据

８保釜保 利用改变的奈奎斯特轨迹分析相对稳定性

８保 相对稳定性

８保躬保 通过保角变换进行相对稳定性分析

８保躬保 相位裕量和增益裕量

８保躬保 关于相位裕量和增益裕量的几点说明

８保躬4 用matlab求增益裕量、相位裕量、相位交界频率和增益交界频率

８保躬5 谐振峰值幅值ｍｒ和谐振峰值频率ωｒ

８保躬6 标准二阶系统中阶跃瞬态响应与频率响应之间的关系

８保躬7 一般系统中的阶跃瞬态响应与频率响应之间的关系

８保躬8 截止频率和带宽

８保躬9 剪切率

８保躬10 获得谐振峰值、谐振频率和带宽的matlab方法

８保保 单位反馈系统的闭环频率响应

８保保蔼保 闭环频率响应

８保保蔼保 等幅值轨迹(ｍ圆)

８保保蔼保 等相角轨迹(ｎ圆)

８保保蔼保 尼柯尔斯图

８保保 传递函数的实验确定法

８保保豹保 正弦信号产生器

８保保豹保 由伯德图求最小相位传递函数

８保保豹保 非最小相位传递函数

８保保豹保 关于实验确定传递函数的几点说明

例题和解答

习题

第９章 控制系统设计的频率响应法

91 引言

911 控制系统设计的频率响应法

912 从开环频率响应可以获得的信息

913 对开环频率响应的要求

914 超前、滞后和滞后[cd*3]超前校正的基本特性

915 本章要点

92 超前校正

921 超前校正装置的特性

922 基于频率响应法的超前校正

９3 滞后校正

９3保 滞后校正装置的特性

９32 基于频率响应法的滞后校正

９33 关于滞后校正的一些说明

９保 滞后[cd*3]超前校正

９保椽保 滞后[cd*3]超前校正装置的特性

９保椽2 基于频率响应法的滞后[cd*3]超前校正

９保 结论

９保氮保 超前、滞后和滞后[cd*3]超前校正的比较

９保氮2 图形对比

９保氮3 反馈校正

９保氮保 不希望极点的抵消

９保氮5 不希望的共轭复数极点的抵消

９保氮6 结束语

例题和解答

习题

第10章 pid控制与二自由度控制系统

101 引言

102 pid控制器的调节法则

1021 控制对象的pid控制

1022 用来调整pid控制器的齐格勒[cd*3]尼柯尔斯法则

1023 第一种方法

1024 第二种方法

1025 说明

103 求最佳参数值集合的计算方法

104 pid控制方案的修正

1041 pi[cd*3]d控制

1042 i[cd*3]pd控制

1043 二自由度pid控制

105 二自由度控制

106 改善响应特性的零点配置法

10.6.1 零点配置

10.6.2 对系统响应特性的要求

10.6.3 确定gヽ2

10.6.4 零点配置

例题和解答

习题

第11章 控制系统的状态空间分析

111 引言*

112 传递函数的状态空间表达式

1121 状态空间标准形的表达式

1122 玭×玭维矩阵a的特征值

1123 玭×玭维矩阵的对角化

1124 特征值的不变性

1125 状态变量组的非惟一性

113 用matlab进行系统模型变换

1131 传递函数系统的状态空间表达式

1132 由状态空间表达式到传递函数的变换

114 定常系统状态方程的解

1141 齐次状态方程的解

1142 矩阵指数

1143 齐次状态方程的拉普拉斯变换解法

1144 状态转移矩阵

1145 状态转移矩阵的性质

1146 非齐次状态方程的解

1147 非齐次状态方程的拉普拉斯变换解法

1148 初始状态为x(玹0)的解

115 向量矩阵分析中的若干结果

1151 凯莱补密尔顿定理

1152 最小多项式

1153 矩阵指数玡゛玹

1154 向量的线性无关

116 可控性

1161 可控性和可观测性

1162 连续时间系统的状态完全可控性

1163 状态完全可控性条件的另一种形式

1164 在玸平面上状态完全可控的条件

1165 输出可控性

11.6.6 不可控系统

11.6.7 可稳定性

117 可观测性

1171 连续时间系统的完全可观测性

1172 在玸平面上完全可观测性的条件

1173 注释

1174 完全可观测性条件的另一种形式

1175 对偶原理

11.7.6 可检测性

例题和解答

习题

第12章 控制系统的状态空间设计

121 引言

122 极点配置

1221 极点配置设计

1222 任意配置极点的充分必要条件

1223 用变换矩阵t确定矩阵k

1224 用直接代入法确定矩阵k

1225 用爱克曼公式确定矩阵k

12.2.6 调节器系统和控制系统

12.2.7 选择希望的闭环极点的位置

1228 注释

12.3 用matlab解极点配置问题

12.4 伺服系统设计

12.4.1 当控制对象含有一个积分器时的i型伺服系统设计

12.4.2 当控制对象无积分器时i型伺服系统的设计

12.4.3 系统的单位阶跃响应特性

125 状态观测器简介

1251 状态观测器

1252 全阶状态观测器

1253 对偶问题

1254 状态观测的充分必要条件

12.5.5 求状态观测器增益矩阵k玡的变换法

1256 求状态观测器增益矩阵k玡的直接代入法

1257 爱克曼公式

1258 最佳k玡选择的注释

1259 观测器的引入对闭环系统的影响

12510 控制器补鄄馄鞯拇递函数

12511 最小阶观测器

12512 具有最小阶观测器的观测[cd*3]状态反馈控制系统

12.5.13 用matlab确定观测器增益矩阵k玡

12.5.14 控制器[cd*3]最小阶观测器的传递函数

12.6 带观测器的调节器系统设计

12.7 带观测器的控制系统设计

12.7.1 带观测器的控制系统设计说明

1272 状态空间设计法结语

12.8 二次型最佳调节器系统

12.8.1 二次型最佳调节器问题

12.8.2 用matlab解二次型最佳调节器问题

12.8.3 结论

例题和解答

习题

参考文献