前言

1 自動控制的一般概念 1

1.1 控制、自動控制及自動控制繫統 1

. 自動控制的基本控制方式 1

.. 開環控制 1

.. 反饋控制 4

.. 復合控制 5

1.3 反饋控制繫統的基本結構及分類 6

1.3.1 反饋控制繫統基本結構 6

1.3.2 反饋控制繫統分類 6

1.4 控制工程基礎概要 7

1.4.1 繫統建模 7

1.4.2 繫統分析 7

1.4.3 自動控制繫統校正 7

2 控制繫統的數學模型 8

2.1 控制繫統的時域數學模型 8

2.1.1 控制繫統時域數學模型建立的基本方法 8

2.. 控制繫統時域數學模型建立示例 9

2.1.3 非線微分方程線化 11

2.2 控制繫統的復數域數學模型

2.2.1 傳遞函數

2.2.2 典型環節傳遞函數 16

2.3 控制繫統結構圖及其簡化 22

2.3.1 控制繫統結構圖、概念及畫法 22

2.3.2 控制繫統結構圖簡化 23

2.4 控制繫統的信號流圖 34

2.4.1 繫統信號流圖畫法 35

2.4.2 根據繫統的信號流圖求取閉環傳遞函數 37

小結 39

習題 39

3 線定常繫統的時域分析法 42

3.1 典型輸入信號 42

3.2 線定常繫統的穩定分析 43

3.2.1 穩定的概念 43

3.2.2 繫統穩定的充要條件 44

3.2.3 繫統的穩定判據 45

3.2.4 勞斯-赫爾維茨判據應用 47

3.3 線定常繫統的動態能分析 50

3.3.1 典型二階繫統動態能分析 51

3.3.2 典型二階繫統動態能指標 54

3.3.3 改善典型二階繫統動態能的方法 56

3.3.4 高階繫統動態能分析 58

3.4 線定常繫統穩態誤差的計算 59

3.4.1 繫統誤差及繫統穩態誤差的概念 59

3.4.2 繫統穩態誤差的計算 61

3.4.3 反饋繫統在擾動作用下繫統穩態誤差的計算 64

3.4.4 復合控制繫統穩態誤差的計算 65

小結 67

習題 68

4 線繫統的根軌跡 71

4.1 根軌跡與根軌跡方程 71

4.1.1 根軌跡 71

4.. 根軌跡中繫統閉環傳遞函數零極點與開環傳遞函數零極點的關繫 72

4.1.3 根軌跡方程 73

4.2 根軌跡繪制的基本法則 74

4.3 繫統根軌跡的繪制實例 76

4.4 繫統能的根軌跡分析 79

4.4.1 繫統能的定分析 79

4.4.2 附加開環零點對繫統能的改善 80

小結 83

習題 83

5 線定常繫統的頻域分析法 84

5.1 頻率特的基本概念及幾何表示方法 84

5.1.1 頻率特的基本概念 84

5.. 頻率特的幾何表示方法 85

5.2 典型環節頻率特繪制及特點 87

5.2.1 比例環節 88

5.2.2 慣環節 89

5.2.3 積分環節 90

5.2.4 微分環節 92

5.2.5 振蕩環節 94

5.2.6 不穩定慣環節 96

5.3 閉環繫統的開環頻率特繪制 98

5.3.1 開環頻率特繪制方法 98

5.3.2 開環對數幅頻特及對數相頻特繪制 101

5.4 繫統穩定的頻域判據 103

5.4.1 奈奎斯特穩定判據 103

5.4.2 對數穩定判據 106

5.5 繫統穩定裕度 107

5.6 相位繫統開環對數幅頻特與閉環繫統動態及穩態能的關繫 110

5.6.1 低頻段與繫統穩態誤差的關繫 110

5.6.2 斜率對的影響 111

5.6.3 開環增益K對的影響 1

5.6.4與繫統動態能的關繫 114

小結 116

習題 116

6 線定常繫統的校正

6.1 線定常繫統校正的概念、方式和方法

6.1.1 線定常繫統校正的概念

6.. 線定常繫統校正的方式

6.1.3 線定常繫統校正的方法

6.2 常用校正裝置及其控制規律

6.2.1 超前校正及其裝置

6.2.2 滯後校正及其裝置

6.2.3 滯後超前校正及其裝置

6.3 應用頻域分析法進行串聯校正的基本方法及步驟

6.4 工程設計方法 130

6.4.1 典型“I”型繫統設計方法 130

6.4.2 典型“II”型繫統設計方法 132

6.5 線定常繫統的復合控制校正 135

小結 137

習題 138

7 線采樣繫統分析 140

7.1 離散采樣繫統的基本概念 140

7.2 z變換理論 141

7.2.1 z變換定義 141

7.2.2 典型信號的z變換 142

7.2.3 z變換定理 143

7.2.4 z變換說明 147

7.2.5 z變換的局限 147

7.3 采樣與信號保持 148

7.3.1 采樣過程數學描述 148

7.3.2 采樣定理 149

7.3.3 信號的復現與保持器 150

7.4 脈衝傳遞函數 152

7.4.1 脈衝傳遞函數的定義 152

7.4.2 脈衝傳遞函數與差分方程的關繫 153

7.4.3 脈衝傳遞函數的求法 154

7.4.4 串聯環節的脈衝傳遞函數 154

7.4.5 有零階保持器的開環脈衝傳遞函數 155

7.4.6 閉環繫統脈衝傳遞函數 156

7.5 離散采樣繫統的能分析 158

7.5.1 離散采樣繫統穩定分析 158

7.5.2 離散采樣繫統的繫統穩態誤差計算 160

7.5.3 離散采樣繫統的動態能分析 161

7.6 離散采樣繫統和連續繫統的能對比 163

小結 164

習題 165

8 控制繫統的狀態空間分析 167

8.1 狀態空間分析法的基本概念 167

8.2 線繫統狀態空間模型的建立 168

8.2.1 利用繫統微分方程建立狀態空間方程 168

8.2.2 利用繫統傳遞函數建立狀態空間方程 170

8.2.3 線繫統的狀態空間方程與傳遞函數的關繫 171

8.2.4 狀態空間方程之間的轉換 171

8.3 線繫統狀態空間方程的求解 172

8.3.1 線繫統狀態空間方程的解 172

8.3.2 狀態轉移矩陣及其質 172

8.3.3 狀態轉移矩陣求取 173

8.3.4 線繫統的輸出方程 173

8.4 線繫統的可控和可觀測 173

8.4.1 線繫統的可控 174

8.4.2 線定常繫統的狀態可控的代數判據 174

8.4.3 線繫統的可觀測 174

8.4.4 線定常繫統的狀態可觀測的代數判據 174

8.4.5 對偶原理 175

8.5 線繫統狀態空間的標準型 175

8.5.1 可控標準型 175

8.5.2 可觀測標準型 175

8.6 線繫統的狀態反饋和輸出反饋 176

8.6.1 線繫統的狀態反饋 176

8.6.2 線繫統的輸出反饋 177

8.6.3 狀態觀測器 178

8.6.4 分離定理 179

8.7 李雅普諾夫穩定分析 180

8.7.1 相關數學基礎 180

8.7.2 李雅普諾夫意義下穩定的含義 181

8.7.3 李雅普諾夫第二法 182

8.7.4 李雅普諾夫第二法在線定常繫統中的應用 183

小結 183

習題 184

9 MATLAB的應用 185

9.1 MATLAB與控制繫統的數學模型 185

9.1.1 線連續繫統的數學模型 185

9.. 線離散繫統的數學模型 187

9.1.3 數學模型間的變換 188

9.2 MATLAB與控制繫統的時域分析 190

9.2.1 線繫統的能計算 190

9.2.2 穩定分析 193

9.3 MATLAB與控制繫統的頻域分析 194

9.3.1 奈奎斯特曲線的繪制 194

9.3.2 伯德圖的繪制 196

9.3.3 幅值裕度和相位裕度的求取 197

9.4 MATLAB與離散繫統的分析 197

9.4.1 離散繫統的時域響應 197

9.4.2 離散繫統的穩定分析 200

9.5 MATLAB與繫統的根軌跡 200

9.5.1 繪制繫統的根軌跡 200

9.5.2 計算繫統根軌跡的增益及極點的計算 202

小結 203

習題 203

10 控制繫統在車輛工程中的應用 205

10.1 電子節氣門控制繫統 205

10.1.1 電子節氣門結構 206

10.. 節氣門模型推導 208

10.1.3 節氣門繫統中的P控制 210

10.2 發動機怠速控制繫統 2

10.2.1 發動機怠速模型的建立 2

10.2.2 發動機怠速控制器設計 215

小結 221

參考文獻 222