目錄 第1章 緒論 1 1.1 自動控制的應用 1 1.1.1 航空航天領域的應用 1 1.1.2 地面交通車輛領域的應用 2 1.1.3 國防裝備領域的應用 5 1.1.4 工業(yè)生產領域的應用 5 1.1.5 智能建筑領域的應用 6 1.1.6 智能家電產品領域的應用 7 1.2 自動控制系統(tǒng)的產生和發(fā)展 7 1.2.1 古代自動裝置的出現(xiàn)與應用 7 1.2.2 經(jīng)典控制理論的形成 8 1.2.3 現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展 10 1.3 自動控制系統(tǒng)的組成 10 1.4 自動控制系統(tǒng)的分類 11 1.4.1 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 12 1.4.2 線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng) 13 1.4.3 連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng) 14 1.4.4 恒值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng) 14 1.4.5 單變量控制系統(tǒng)和多變量控制系統(tǒng) 14 1.5 自動控制系統(tǒng)的基本要求 15 1.6 自動控制系統(tǒng)的實例分析 16 1.7 控制系統(tǒng)的計算機輔助分析 18 習題 20 第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 22 2.1 控制系統(tǒng)的微分方程模型 22 2.1.1 建立微分方程模型的步驟 22 2.1.2 典型系統(tǒng)微分方程的建立 23 2.1.3 非線性微分方程的線性化 25 2.2 拉氏變換及逆變換 28 2.2.1 拉氏變換的定義 28 2.2.2 典型函數(shù)的拉氏變換 28 2.2.3 拉氏變換的基本性質 30 2.2.4 拉普拉斯逆變換 34 2.2.5 用拉氏變換求解線性微分方程 38 2.3 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型 39 2.3.1 傳遞函數(shù)的概念 39 2.3.2 傳遞函數(shù)的零點和極點 40 2.3.3 典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 41 2.4 控制系統(tǒng)的方框圖模型 47 2.4.1 系統(tǒng)方框圖的組成和建立 47 2.4.2 系統(tǒng)方框圖的等效變換和簡化 52 2.4.3 考慮干擾時閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 54 2.5 控制系統(tǒng)的信號流圖模型 56 2.5.1 信號流圖的概念及其建立方法 56 2.5.2 梅森增益公式及其應用 57 2.6 相似原理 58 2.7 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型 60 2.7.1 狀態(tài)空間模型的基本概念 60 2.7.2 線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程描述 62 2.7.3 傳遞函數(shù)與狀態(tài)方程之間的關系 64 2.8 機電控制系統(tǒng)建模實例 65 2.9 利用MATLAB進行數(shù)學模型分析 69 2.9.1 傳遞函數(shù)的表示 69 2.9.2 線性微分方程的求解 71 2.9.3 系統(tǒng)方框圖的簡化 73 2.10 高速列車車輛垂向動力學模型建立 74 習題 80 第3章 控制系統(tǒng)的時域分析 85 3.1 系統(tǒng)的時域性能指標 85 3.1.1 典型輸入信號 85 3.1.2 時間響應及其組成 86 3.1.3 動態(tài)過程與穩(wěn)態(tài)過程 88 3.2 一階系統(tǒng)的時域分析 89 3.2.1 一階系統(tǒng)的單位脈沖響應 89 3.2.2 一階系統(tǒng)的單位階躍響應 89 3.2.3 一階系統(tǒng)的單位斜坡響應 90 3.2.4 一階系統(tǒng)三種響應之間的 關系 91 3.3 二階系統(tǒng)的時域分析 91 3.3.1 二階系統(tǒng)的單位階躍響應 91 3.3.2 二階系統(tǒng)的單位斜坡響應 95 3.3.3 二階系統(tǒng)的性能指標 97 3.3.4 二階系統(tǒng)計算舉例 100 3.4 高階系統(tǒng)的時域分析 103 3.4.1 高階系統(tǒng)的階躍響應 104 3.4.2 主導極點法近似分析 105 3.5 穩(wěn)態(tài)誤差及其計算 106 3.5.1 誤差和穩(wěn)態(tài)誤差 106 3.5.2 系統(tǒng)的類型與穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù) 108 3.5.3 擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 110 3.6 MATLAB時域分析及應用 111 3.6.1 利用MATLAB求系統(tǒng)時間響應 111 3.6.2 利用MATLAB求系統(tǒng)的瞬態(tài)指標 114 3.7 高速列車車輛垂向振動時域仿真分析 115 習題 117 第4章 控制系統(tǒng)的頻域分析 119 4.1 線性系統(tǒng)的頻率特性 119 4.1.1 頻率特性的基本概念 119 4.1.2 頻率特性的求法 121 4.1.3 頻率特性的表示及其與系統(tǒng)性能的關系 123 4.2 頻率特性圖 124 4.2.1 頻率特性圖表示法 124 4.2.2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性圖 125 4.2.3 一般系統(tǒng)的頻率特性圖 128 4.3 對數(shù)頻率特性圖 131 4.3.1 對數(shù)頻率特性圖表示法 131 4.3.2 典型環(huán)節(jié)的對數(shù)頻率特性圖 132 4.3.3 一般系統(tǒng)的對數(shù)頻率特性圖 136 4.3.4 最小相位系統(tǒng) 138 4.4 由頻率特性辨識系統(tǒng)模型 139 4.5 控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性 142 4.5.1 開環(huán)頻率特性與閉環(huán)頻率特性的關系 142 4.5.2 頻率特性的指標 144 4.6 利用MATLAB進行頻域分析 145 4.6.1 利用MATLAB繪制Nyquist圖 145 4.6.2 利用MATLAB繪制Bode圖 146 4.7 高速列車車輛垂向振動頻域仿真分析 148 習題 150 第5章 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 153 5.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念 153 5.1.1 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性定義 153 5.1.2 線性控制系統(tǒng)穩(wěn)定的條件 154 5.1.3 非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性定義 155 5.2 代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù) 155 5.2.1 勞斯穩(wěn)定性判據(jù) 156 5.2.2 赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù) 160 5.3 幾何(Nyquist)穩(wěn)定性判據(jù) 161 5.3.1 Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)基礎知識 162 5.3.2 Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)原理 165 5.3.3 Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)的應用 166 5.3.4 Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)在Bode圖上的應用 173 5.4 系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度 174 5.4.1 相位裕度 174 5.4.2 幅值裕度 175 5.5 利用MATLAB分析系統(tǒng)穩(wěn)定性 177 5.6 高速列車車輛垂向穩(wěn)定性仿真分析 179 習題 181 第6章 控制系統(tǒng)的根軌跡分析 183 6.1 根軌跡法的基本概念 183 6.1.1 根軌跡概念 183 6.1.2 根軌跡方程 184 6.2 根軌跡的繪制法則及應用 186 6.2.1 根軌跡的繪制法則 186 6.2.2 根軌跡繪制實例與性能分析 192 6.3 參數(shù)根軌跡的繪制 198 6.4 根軌跡分析的MATLAB實現(xiàn) 198 6.4.1 根軌跡的相關函數(shù) 199 6.4.2 利用MATLAB進行系統(tǒng)根軌跡分析 199 6.5 高速列車車輛垂向動力學系統(tǒng)根軌跡仿真分析 201 習題 203 第7章 控制系統(tǒng)的綜合與校正 205 7.1 系統(tǒng)的性能指標 205 7.1.1 時域性能指標 205 7.1.2 頻域性能指標 205 7.1.3 綜合性能指標(誤差準則) 206 7.2 系統(tǒng)校正概述 207 7.2.1 校正的概念 207 7.2.2 校正的分類 208 7.3 串聯(lián)校正 209 7.3.1 相位超前校正 209 7.3.2 相位滯后校正 212 7.3.3 相位滯后-超前校正 214 7.3.4 串聯(lián)PID校正 215 7.4 反饋校正 217 7.4.1 改變被控對象的結構與參數(shù) 217 7.4.2 取代被控對象模型 219 7.5 順饋校正與前饋校正 219 7.5.1 順饋校正 220 7.5.2 前饋校正 220 7.6 系統(tǒng)校正的MATLAB實現(xiàn) 221 7.7 高速列車車輛垂向主動懸掛控制仿真分析 225 習題 234 參考文獻 236