出版者的話
譯者序
前言
第1章　緒論1
1.1　控制系統(tǒng)的基本組成部分1
1.2　控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例2
1.2.1　智能交通系統(tǒng)2
1.2.2　汽車轉(zhuǎn)向控制3
1.2.3　汽車怠速控制3
1.2.4　太陽能收集器的太陽跟蹤控制3
1.3　開環(huán)控制系統(tǒng)（無反饋系統(tǒng)）5
1.4　閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）5
1.5　反饋的含義及其作用6
1.5.1　反饋對于總增益的影響6
1.5.2　反饋對于穩(wěn)定性的影響6
1.5.3　反饋對于外部干擾或噪聲的作用7
1.6　反饋控制系統(tǒng)的類型8
1.7　線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)8
1.8　時(shí)不變與時(shí)變系統(tǒng)9
1.9　連續(xù)控制系統(tǒng)9
1.10　離散控制系統(tǒng)10
1.11　案例研究：基于LEGOMINDSTORMS的智能車輛避障11
1.12　小結(jié)17
第2章　動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模18
2.1　簡單機(jī)械系統(tǒng)的建模18
2.1.1　平移運(yùn)動(dòng)19
2.1.2　旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)22
2.1.3　平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換26
2.1.4　齒輪系28
2.1.5　齒隙和死區(qū)（非線性特性）29
2.2　簡單電氣系統(tǒng)的建模30
2.2.1　無源電氣元件建模30
2.2.2　電氣網(wǎng)絡(luò)建模30
2.3　簡單熱系統(tǒng)和簡單流體系統(tǒng)的建模33
2.3.1　熱系統(tǒng)的基本屬性34
2.3.2　流體系統(tǒng)的基本屬性36
2.4　非線性系統(tǒng)的線性化42
2.5　類比44
2.6　案例研究：LEGO MINDSTORMSNXT電動(dòng)機(jī)—機(jī)械建模46
2.7　小結(jié)46
參考文獻(xiàn)47
習(xí)題47
第3章　動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的微分方程求解58
3.1　微分方程介紹58
3.1.1　線性常微分方程59
3.1.2　非線性微分方程59
3.2　拉普拉斯變換60
3.2.1　拉普拉斯變換的定義60
3.2.2　拉普拉斯變換的重要定理61
3.2.3　傳遞函數(shù)61
3.2.4　特征方程62
3.2.5　解析函數(shù)62
3.2.6　函數(shù)的極點(diǎn)62
3.2.7　函數(shù)的零點(diǎn)63
3.2.8　共軛復(fù)極點(diǎn)和零點(diǎn)64
3.2.9　終值定理65
3.3　部分分式展開的拉普拉斯逆變換65
3.4　拉普拉斯變換在線性常微分方程求解中的應(yīng)用71
3.4.1　一階系統(tǒng)71
3.4.2　二階系統(tǒng)73
3.4.3　二階系統(tǒng)—進(jìn)一步討論80
3.5　線性系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)和傳遞函數(shù)83
3.5.1　脈沖響應(yīng)83
3.5.2　基于脈沖響應(yīng)的時(shí)間響應(yīng)84
3.5.3　傳遞函數(shù)（單輸入單輸出系統(tǒng)）85
3.6　系統(tǒng)的一階微分方程：狀態(tài)方程85
3.6.1　狀態(tài)變量的定義88
3.6.2　輸出方程89
3.7　線性齊次狀態(tài)方程的解92
3.7.1　傳遞函數(shù)（多變量系統(tǒng)）93
3.7.2　由狀態(tài)方程到特征方程95
3.7.3　由傳遞函數(shù)到狀態(tài)方程96
3.8　MATLAB案例研究99
3.9　線性化回顧：狀態(tài)空間方法104
3.10　小結(jié)108
參考文獻(xiàn)108
習(xí)題109
第4章　控制框圖和信號流圖119
4.1　控制框圖119
4.1.1　控制系統(tǒng)中典型元件的控制框圖建模120
4.1.2　數(shù)學(xué)方程和控制框圖的關(guān)系123
4.1.3　控制框圖簡化126
4.1.4　多輸入系統(tǒng)的控制框圖：特殊情況—擾動(dòng)系統(tǒng)128
4.1.5　多變量系統(tǒng)的控制框圖與傳遞函數(shù)129
4.2　信號流圖131
4.2.1　信號流圖代數(shù)132
4.2.2　信號流圖術(shù)語的定義133
4.2.3　信號流圖的增益公式135
4.2.4　在輸出節(jié)點(diǎn)與非輸入節(jié)點(diǎn)間增益公式的應(yīng)用139
4.2.5　簡化增益公式140
4.3　狀態(tài)圖141
4.3.1　由微分方程到狀態(tài)圖141
4.3.2　由狀態(tài)圖到傳遞函數(shù)143
4.3.3　由狀態(tài)圖到狀態(tài)和輸出方程143
4.4　案例研究145
4.5　MATLAB工具箱155
4.6　小結(jié)158
參考文獻(xiàn)158
習(xí)題158
第5章　線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性168
5.1　穩(wěn)定性介紹168
5.2　穩(wěn)定性判定方法171
5.3　Routh-Hurwitz判據(jù)171
5.3.1　Routh表格172
5.3.2　Routh表格提前終止時(shí)的特殊情形173
5.4　MATLAB工具和案例分析176
5.5　小結(jié)182
參考文獻(xiàn)182
習(xí)題182
第6章　反饋控制系統(tǒng)的重要組成186
6.1　有源電氣元件的建模：運(yùn)算放大器188
6.1.1　理想運(yùn)算放大器188
6.1.2　和與差188
6.1.3　一階運(yùn)算放大器的配置188
6.2　控制系統(tǒng)中的傳感器和編碼器191
6.2.1　電位計(jì)191
6.2.2　轉(zhuǎn)速計(jì)194
6.2.3　增量編碼器195
6.3　控制系統(tǒng)中的直流電動(dòng)機(jī)197
6.3.1　直流電動(dòng)機(jī)的基本操作原理198
6.3.2　永磁直流電動(dòng)機(jī)的基本分類198
6.3.3　永磁直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型200
6.4　直流電動(dòng)機(jī)的速度控制及位置控制203
6.4.1　速度響應(yīng)、自感效應(yīng)和擾動(dòng)：開環(huán)響應(yīng)203
6.4.2　直流電動(dòng)機(jī)的速度控制：閉環(huán)響應(yīng)206
6.4.3　位置控制207
6.5　案例研究208
6.5.1　案例1：太陽觀測系統(tǒng)208
6.5.2　案例2：四分之一車輛懸掛系統(tǒng)210
6.6　虛擬實(shí)驗(yàn)室：LEGO MINDSTORMSNXT電動(dòng)機(jī)入門—建模和表征213
6.6.1　NXT電動(dòng)機(jī)213
6.6.2　電氣特性213
6.6.3　機(jī)械特性214
6.6.4　速度響應(yīng)和模型驗(yàn)證220
6.7　小結(jié)221
參考文獻(xiàn)221
習(xí)題221
第7章　控制系統(tǒng)的時(shí)域分析234
7.1　連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)234
7.2　評價(jià)控制系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)性能的典型測試信號235
7.3　單位階躍響應(yīng)和時(shí)域描述236
7.4　一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)237
7.5　二階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)240
7.5.1　阻尼比和自然頻率240
7.5.2　最大超調(diào)（0 < ζ < 1）244
7.5.3　延遲時(shí)間和上升時(shí)間（0 < ζ < 1）246
7.5.4　調(diào)節(jié)時(shí)間（5%和2%）247
7.5.5　暫態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)總結(jié)250
7.6　穩(wěn)態(tài)誤差253
7.6.1　穩(wěn)態(tài)誤差的定義253
7.6.2　有干擾情況下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差259
7.6.3　控制系統(tǒng)的類型：單位反饋系統(tǒng)261
7.6.4　誤差常數(shù)261
7.6.5　非線性系統(tǒng)元件產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差265
7.7　基礎(chǔ)控制系統(tǒng)以及傳遞函數(shù)增加零極點(diǎn)帶來的影響267
7.7.1　在前向通道傳遞函數(shù)中增加一個(gè)極點(diǎn)：單位反饋系統(tǒng)267
7.7.2　在閉環(huán)傳遞函數(shù)中增加一個(gè)極點(diǎn)269
7.7.3　在閉環(huán)傳遞函數(shù)中增加一個(gè)零點(diǎn)270
7.7.4　在前向通道傳遞函數(shù)中增加一個(gè)零點(diǎn)：單位反饋系統(tǒng)271
7.7.5　增加零極點(diǎn)：時(shí)域響應(yīng)控制272
7.8　傳遞函數(shù)的主導(dǎo)零極點(diǎn)277
7.8.1　零極點(diǎn)影響的總結(jié)278
7.8.2　相對阻尼比279
7.8.3　穩(wěn)態(tài)響應(yīng)考慮下的次要極點(diǎn)忽略方法279
7.9　案例研究：定位控制系統(tǒng)的時(shí)域分析279
7.9.1　二階系統(tǒng)：單位階躍暫態(tài)響應(yīng)281
7.9.2　二階系統(tǒng)：單位階躍穩(wěn)態(tài)響應(yīng)284
7.9.3　三階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)—電氣時(shí)間常數(shù)不能忽略284
7.9.4　三階系統(tǒng)：單位階躍暫態(tài)響應(yīng)284
7.9.5　三階系統(tǒng)：單位階躍穩(wěn)態(tài)響應(yīng)287
7.10　控制實(shí)驗(yàn)室：LEGO MINDSTORMS NXT電動(dòng)機(jī)介紹—位置控制287
7.11　小結(jié)291
參考文獻(xiàn)292
習(xí)題292
第8章　狀態(tài)空間分析與控制器設(shè)計(jì)305
8.1　狀態(tài)變量分析305
8.2　控制框圖、傳遞函數(shù)和狀態(tài)控制框圖305
8.2.1　傳遞函數(shù)（多變量系統(tǒng)）305
8.2.2　多變量系統(tǒng)的控制框圖和傳遞函數(shù)306
8.3　一階微分系統(tǒng)的狀態(tài)方程308
8.3.1　狀態(tài)變量的定義308
8.3.2　輸出方程309
8.4　狀態(tài)方程的向量-矩陣表示310
8.5　狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣312
8.5.1　狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的意義313
8.5.2　狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的性質(zhì)313
8.6　狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程314
8.7　狀態(tài)方程與高階微分方程之間的關(guān)系318
8.8　狀態(tài)方程與傳遞函數(shù)之間的關(guān)系319
8.9　特征方程、特征值和特征向量321
8.9.1　由微分方程求特征方程322
8.9.2　由傳遞函數(shù)求特征方程322
8.9.3　由狀態(tài)方程求特征方程322
8.9.4　特征值323
8.9.5　特征向量323
8.9.6　廣義特征向量324
8.10　相似變換325
8.10.1　相似變換的不變特性326
8.10.2　相似變換前后的特征方程、特征值和特征向量326
8.10.3　傳遞函數(shù)矩陣326
8.10.4　能控標(biāo)準(zhǔn)型326
8.10.5　能觀標(biāo)準(zhǔn)型328
8.10.6　對角標(biāo)準(zhǔn)型329
8.10.7　Jordan標(biāo)準(zhǔn)型330
8.11　傳遞函數(shù)分解331
8.11.1　直接分解331
8.11.2　串級分解335
8.11.3　并行分解336
8.12　控制系統(tǒng)的能控性337
8.12.1　能控性的概念338
8.12.2　狀態(tài)能控性的定義339
8.12.3　能控性的其他檢驗(yàn)方法339
8.13　線性系統(tǒng)的能觀性341
8.13.1　能觀性的定義341
8.13.2　能觀性的其他檢驗(yàn)方法342
8.14　能控性、能觀性和傳遞函數(shù)之間的關(guān)系342
8.15　能控性和能觀性的不變性定理344
8.16　案例研究：磁球懸浮系統(tǒng)345
8.17　狀態(tài)反饋控制348
8.18　通過狀態(tài)反饋進(jìn)行極點(diǎn)配置349
8.19　帶有積分控制的狀態(tài)反饋353
8.20　MATLAB工具箱和案例學(xué)習(xí)358
8.20.1　狀態(tài)空間分析工具箱的使用和說明359
8.20.2　tfsym在狀態(tài)空間應(yīng)用中的使用和說明361
8.21　案例研究：LEGO MINDSTORMS機(jī)器臂系統(tǒng)的位置控制361
8.22　小結(jié)366
參考文獻(xiàn)367
習(xí)題367
第9章　根軌跡法386
9.1　根軌跡的基本性質(zhì)387
9.2　根軌跡的性質(zhì)詳解389
9.2.1　K=0和K=±∞的點(diǎn)389
9.2.2　RL的分支數(shù)390
9.2.3　RL的對稱性390
9.2.4　RL的漸近線交角：|s|=∞處RL的行為391
9.2.5　漸近線的交點(diǎn)（質(zhì)心）392
9.2.6　實(shí)軸上的RL395
9.2.7　RL的出射角和入射角395
9.2.8　RL與虛軸的交點(diǎn)398
9.2.9　RL的分離點(diǎn)（鞍點(diǎn)）398
9.2.10　RL在分離點(diǎn)處的入射角和出射角399
9.2.11　RL上K值的計(jì)算402
9.2.12　小結(jié)402
9.3　根靈敏度406
9.4　根軌跡設(shè)計(jì)410
9.4.1　在G(s)H(s)中增加零極點(diǎn)的影響410
9.4.2　在G(s)H(s)中增加極點(diǎn)410
9.4.3　在G(s)H(s)中增加零點(diǎn)412
9.5　根軌跡族：多參數(shù)變化情形415
9.6　MATLAB工具箱421
9.7　小結(jié)422
參考文獻(xiàn)423
習(xí)題423
第10章　頻域分析430
10.1　引言430
10.1.1　閉環(huán)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)437
10.1.2　頻域指標(biāo)438
10.2　二階系統(tǒng)的諧振峰值、諧振頻率和帶寬439
10.2.1　諧振峰值和諧振頻率439
10.2.2　帶寬440
10.3　前向通道傳遞函數(shù)增加極點(diǎn)和零點(diǎn)的影響442
10.3.1　前向通道傳遞函數(shù)增加零點(diǎn)的影響443
10.3.2　前向通道傳遞函數(shù)增加極點(diǎn)的影響447
10.4　Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)：基本原理449
10.4.1　穩(wěn)定性問題449
10.4.2　環(huán)繞和閉合的定義450
10.4.3　環(huán)繞和閉合的次數(shù)451
10.4.4　幅角原理451
10.4.5　Nyquist曲線455
10.4.6　Nyquist判據(jù)以及L(s)或G(s)H(s)圖455
10.5　具有最小相位傳遞函數(shù)的系統(tǒng)的Nyquist判據(jù)456
10.6　根軌跡和Nyquist圖的關(guān)系458
10.7　示例：最小相位傳遞函數(shù)的Nyquist判據(jù)460
10.8　增加的極點(diǎn)和零點(diǎn)對Nyquist圖的形狀的影響464
10.8.1　在s=0處加入極點(diǎn)464
10.8.2　增加有限個(gè)非零極點(diǎn)466
10.8.3　增加零點(diǎn)466
10.9　相對穩(wěn)定性：增益裕量和相位裕量467
10.9.1　增益裕量469
10.9.2　非最小相位系統(tǒng)的增益裕量470
10.9.3　相位裕量470
10.10　用Bode圖進(jìn)行穩(wěn)定性分析472
10.11　相對穩(wěn)定性與Bode圖的幅值曲線的斜率之間的關(guān)系475
10.12　用幅值-相位圖進(jìn)行穩(wěn)定性分析477
10.13　幅值-相位圖中的定常M曲線：Nichols圖479
10.14　Nichols圖應(yīng)用于非單位反饋系統(tǒng)484
10.15　頻域中的靈敏度研究485
10.16　MATLAB工具和案例研究486
10.17　小結(jié)487
參考文獻(xiàn)487
習(xí)題487
第11章　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)499
11.1　引言499
11.1.1　設(shè)計(jì)要求499
11.1.2　控制器結(jié)構(gòu)500
11.1.3　設(shè)計(jì)的基本原則502
11.2　PD控制器的設(shè)計(jì)503
11.2.1　PD控制的時(shí)域分析504
11.2.2　PD控制的頻域分析506
11.2.3　PD控制的作用總結(jié)506
11.3　PI控制器的設(shè)計(jì)521
11.3.1　PI控制的時(shí)域分析與設(shè)計(jì)523
11.3.2　PI控制的頻域分析與設(shè)計(jì)523
11.4　PID控制器的設(shè)計(jì)534
11.5　相位超前和相位滯后控制器的設(shè)計(jì)538
11.5.1　相位超前控制器的時(shí)域分析和設(shè)計(jì)539
11.5.2　相位超前控制器的頻域分析和設(shè)計(jì)540
11.5.3　相位超前控制的作用555
11.5.4　單階相位超前控制的局限性556
11.5.5　多階相位超前控制器556
11.5.6　靈敏度考慮560
11.5.7　相位滯后控制的時(shí)域解釋和設(shè)計(jì)561
11.5.8　相位滯后控制的頻域解釋和設(shè)計(jì)562
11.5.9　相位滯后控制器的作用和局限性570
11.5.10　超前-滯后控制器的設(shè)計(jì)571
11.6　零極點(diǎn)對消設(shè)計(jì)：陷波濾波器572
11.6.1　二階有源濾波器574
11.6.2　頻域解釋和設(shè)計(jì)575
11.7　前向和前饋控制器582
11.8　魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)584
11.9　局部反饋控制592
11.9.1　速度反饋或轉(zhuǎn)速計(jì)反饋控制592
11.9.2　含有源濾波器的局部反饋控制593
11.10　MATLAB工具和案例研究595
11.11　控制實(shí)驗(yàn)室604
參考文獻(xiàn)605
習(xí)題605
索引