控制工程基礎

第1章　緒論 1
1.1　控制工程概述 2
1.1.1　控制理論的發展概況 2
1.1.2　控制理論的主要內容 3
1.1.3　控制工程基礎的研究物件 3
1.2　控制系統的基本概念 3
1.2.1　控制系統的工作原理 4
1.2.2　開環控制和閉環控制 5
1.2.3　回饋控制系統的基本組成 6
1.3　控制系統的分類 7
1.3.1　按輸入信號的變化規律分類 7
1.3.2　按控制系統的數學模型分類 7
1.3.3　按信號處理技術的方法分類 7
1.4　對控制系統的基本要求 8
1.5　自動控制系統舉例 8
1.5.1　水位自動控制系統 8
1.5.2　機械式轉速控制系統 9
本章小結 9
習題 10

第2章　控制系統的數學模型 12
2.1　控制系統的微分方程 13
2.2　控制系統的傳遞函數 17
2.2.1　傳遞函數的定義 17
2.2.2　傳遞函數的性質 17
2.2.3　傳遞函數的建立 18
2.3　控制系統的典型環節及其傳遞函數 18
2.3.1　典型環節的分類及其傳遞函數 19
2.3.2　常用的回饋控制系統傳遞函數 21
2.4　傳遞函數的方塊圖及其簡化運算 23
2.4.1　方塊圖的組成 23
2.4.2　方塊圖的建立 23
2.4.3　方塊圖的簡化運算 26
2.4.4　梅遜公式 29
2.5　典型控制系統的數學模型 30
本章小結 31
習題 32

第3章　控制系統的時域分析法 35
3.1　典型輸入信號及時域性能指標 36
3.1.1　典型輸入信號 36
3.1.2　時域性能指標 38
3.2　一階系統的時間回應分析 39
3.2.1　一階系統的數學模型 39
3.2.2　一階系統的典型時間回應分析 39
3.3　二階系統的時間回應分析 44
3.3.1　二階系統的數學模型 44
3.3.2　二階系統的單位階躍回應分析 44
3.3.3　二階系統的動態性能指標分析 48
3.4　高階系統的時間回應分析 51
3.5　控制系統的穩定性分析 52
3.5.1　系統穩定性的定義 52
3.5.2　系統穩定的充分必要條件 53
3.5.3　勞斯穩定判據 54
3.6　控制系統的穩態誤差分析 58
3.6.1　穩態誤差的概念及計算 58
3.6.2　系統的類型 60
3.6.3　穩態誤差係數的概念及計算 61
3.6.4　擾動引起的穩態誤差計算 64
3.7　應用MATLAB進行控制系統的時域分析 67
本章小結 70
習題 70

第4章　控制系統的根軌跡分析法 73
4.1　根軌跡的基本概念 74
4.1.1　根軌跡的定義 74
4.1.2　根軌跡與系統性能 75
4.1.3　根軌跡方程 75
4.2　根軌跡繪製的基本法則 76
4.3　參量根軌跡 81
4.4　用根軌跡分析系統性能 82
4.4.1　主導極點 82
4.4.2　偶極子 83
4.4.3　系統性能與零、極點的關係 85
4.4.4　系統根跡線的改造 85
本章小結 86
習題 87

第5章　控制系統的頻域分析法 89
5.1　頻率特性的基本概念 90
5.1.1　頻率特性的定義 90
5.1.2　頻率特性和傳遞函數之間的關係 91
5.2　頻率特性的幾何表示方法 92
5.2.1　幅相頻率特性曲線 92
5.2.2　對數頻率特性曲線 93
5.3　典型環節的對數頻率特性 94
5.3.1　比例環節 94
5.3.2　積分環節 95
5.3.3　微分環節 97
5.3.4　慣性環節 97
5.3.5　一階微分環節 99
5.3.6　振盪環節 100
5.3.7　二階微分環節 102
5.4　系統開環頻率特性的繪製 103
5.4.1　伯德圖繪製的簡便方法 104
5.4.2　最小相位系統與非最小相位系統 106
5.5　用頻率特性分析系統的穩定性 109
5.5.1　奈奎斯特穩定判據 109
5.5.2　開環穩定系統的對數頻率穩定判據 110
5.5.3　穩定裕度與系統的相對穩定性 111
5.5.4　關於相角裕度和幅值裕度的幾點說明 115
5.6　用頻率特性分析系統的穩態性能 115
5.6.1　系統型別的確定 115
5.6.2　開環放大倍數K的確定 116
5.7　用頻率特性分析系統的動態性能 116
5.7.1　開環頻域指標 116
5.7.2　開環頻率特性的三頻段與系統性能的關係 117
本章小結 120
習題 120

第6章　控制系統的校正技術 123
6.1　控制系統設計與校正概述 124
6.1.1　控制系統的設計原則 124
6.1.2　控制系統的校正方式 124
6.2　閉環系統的串聯校正 125
6.2.1　相位超前校正 125
6.2.2　相位滯後校正 129
6.2.3　相位滯後-超前校正 130
6.2.4　串聯校正方式的特性比較 131
6.3　閉環系統的PID控制 131
6.3.1　P控制器 132
6.3.2　PI控制器 133
6.3.3　PD控制器 137
6.3.4　PID控制器 140
6.4　回饋校正 143
6.4.1　利用回饋校正改變局部結構和參數 144
6.4.2　利用回饋校正取代局部結構 145
6.5　複合校正 146
6.5.1　按輸入補償的順饋控制 146
6.5.2　按干擾補償的前饋控制 147
本章小結 148
習題 148

第7章　電腦控制技術 152
7.1　電腦控制系統概述 153
7.1.1　電腦控制系統的組成 153
7.1.2　電腦控制系統的特點 154
7.2　連續信號的採樣 154
7.2.1　連續信號的採樣過程 154
7.2.2　連續信號的採樣定理 156
7.3　離散系統的差分方程 156
7.3.1　差分的概念 156
7.3.2　差分方程的概念 157
7.3.3　差分方程的求解 157
7.4　離散系統的脈衝傳遞函數 158
7.4.1　脈衝傳遞函數的概念 158
7.4.2　脈衝傳遞函數的求取 159
7.5　離散系統的性能分析 160
7.5.1　離散系統的動態性能分析 160
7.5.2　離散系統的穩態誤差分析 163
7.5.3　離散系統的穩定性分析 164
7.6　電腦控制系統的程式設計 165
7.6.1　控制系統典型環節的程式設計 165
7.6.2　數字PID控制器的程式設計 172
本章小結 177
習題 177
　　
附錄 179
附錄A　拉普拉斯變換 179
A.1　拉普拉斯變換的定義 179
A.2　拉普拉斯變換的基本性質和定理 179
A.3　拉普拉斯變換表 182
附錄B　z變換 184
B.1  z變換的定義 184
B.2　z變換的基本性質和定理 185
B.3　z變換表 186
　　
參考文獻 188