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控制工程基礎(第2版) 版權信息
- ISBN：9787121442414
- 條形碼：9787121442414 ; 978-7-121-44241-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
控制工程基礎(第2版) 本書特色
淡化經典控制理論與現代控制理論的界限；側重基本概念、理論和方法的理解與應用；結合工程實際，傳授知識和培養創新能力。 本書側重基本概念、思想方法的理解和應用，適應傳授理論知識和培養創新能力并重的需要。
控制工程基礎(第2版) 內容簡介
本書主要介紹機械工程、電氣工程等工程系統分析與控制的基礎理論，主要內容包括工程系統（簡稱系統）的數學模型、時域分析、根軌跡分析、頻域分析，以及工程系統控制設計等。本書的特點是以"工程控制系統―建模―分析―設計”為主線，重點突出工程系統控制性能的分析及設計，不強調嚴格的數學推演，在繼續保持第1 版內容的系統性和完整性的基礎上，側重基本概念、思想方法的理解和應用，適應傳授理論知識和培養創新能力并重的需要。
控制工程基礎(第2版) 目錄
目 錄
第1 章 緒論 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．1
1．1 控制與反饋控制 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．1
1．2 開環控制和閉環控制 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．4
1．2．1 開環控制 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．4
1．2．2 閉環控制 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．4
1．3 控制系統的分類 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．5
1．4 控制理論的發展歷程 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．7
1．5 控制系統性能的基本要求和設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．9
1．5．1 控制系統性能的基本要求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．9
1．5．2 控制系統的設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．10
習題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．11
第2 章 控制系統的數學模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．12
2．1 數學模型概述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．12
2．2 控制系統的微分方程 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．13
2．2．1 控制系統微分方程的建立 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．13
2．2．2 非線性微分方程的線性化 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．17
2．3 控制系統的狀態方程 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．20
2．3．1 基本概念 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．20
2．3．2 線性系統狀態空間表達式的建立 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．23
2．4 控制系統的傳遞函數 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．26
2．4．1 傳遞函數的定義和特性 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．26
2．4．2 傳遞函數的計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．28
2．4．3 傳遞函數的基本形式 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．29
2．4．4 典型環節的傳遞函數 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．30
2．5 控制系統的框圖 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．35
2．5．1 框圖的組成及建立步驟 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．35
2．5．2 框圖的等效變換 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．36
2．5．3 梅遜公式 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．43
2．6 控制系統的傳遞函數 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．47
2．6．1 閉環控制系統的開環傳遞函數 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．47
2．6．2 閉環控制系統的閉環傳遞函數 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．48
2．7 應用MATLAB 建立系統數學模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．51
2．7．1 傳遞函數的MATLAB 模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．51
2．7．2 狀態空間表達式的MATLAB 模型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．55
習題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．58
第3 章 控制系統的時域分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．66
3．1 概述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．66
3．2 控制系統的典型輸入信號 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．67
3．3 控制系統時域響應的求解 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．70
3．3．1 基于微分方程求解時域響應 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．70
3．3．2 基于狀態方程求解時域響應 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．72
3．3．3 基于傳遞函數求解時域響應 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．76
3．4 控制系統的時域性能指標 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．77
3．4．1 系統時域響應的時間歷程 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．77
3．4．2 系統的動態性能指標 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．78
3．4．3 系統的穩態性能指標 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．79
3．5 控制系統的時域分析與性能指標計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．79
3．5．1 一階系統的時域分析與性能指標計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．80
3．5．2 二階系統的時域分析與性能指標計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．82
3．5．3 高階系統的時域分析與性能指標計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．90
3．6 控制系統的穩態誤差 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．93
3．6．1 穩態誤差的概念 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．93
3．6．2 系統的型次 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．94
3．6．3 系統穩態誤差的計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．95
3．6．4 提高系統穩態精度的方法 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．100
3．7 控制系統的穩定性分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．102
3．7．1 穩定性的概念 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．102
3．7．2 系統穩定的條件 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．103
3．7．3 系統穩定性的勞斯判據 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．107
3．7．4 勞斯判據的應用 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．110
3．8 控制系統的可控性和可觀測性 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．112
3．8．1 可控性及其判斷 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．112
3．8．2 可觀測性及其判斷 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．116
3．8．3 系統傳遞函數與可控性和可觀測性的關系 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．118
3．9 基于MATLAB 的系統時域響應計算和時域性能分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．119
3．9．1 系統的時域響應計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．119
3．9．2 系統的動態響應特性分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．122
3．9．3 系統穩定性分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．123
3．9．4 可控性和可觀測性分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．127
習題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．129
第4 章 控制系統的根軌跡分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．134
4．1 根軌跡的概念 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．134
4．2 根軌跡的基本條件與繪制規則 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．136
4．2．1 根軌跡的基本條件 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．137
4．2．2 根軌跡的繪制規則 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．138
4．3 控制系統根軌跡的繪制 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．148
4．3．1 *小相位系統的根軌跡繪制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．148
4．3．2 零度根軌跡的繪制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．149
4．3．3 系統的參量根軌跡繪制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．153
4．4 控制系統的根軌跡分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．155
4．4．1 增加開環零點和開環極點對根軌跡的影響 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．155
4．4．2 系統性能的根軌跡分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．158
4．5 基于MATLAB 的系統根軌跡分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．162
習題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．164
第5 章 控制系統的頻域分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．166
5．1 控制系統的頻率響應與頻率特性函數 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．166
5．1．1 系統的頻率響應 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．166
5．1．2 系統的頻率特性函數 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．168
5．2 控制系統的頻率特性圖 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．170
5．2．1 系統的極坐標圖 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．170
5．2．2 系統的對數頻率特性圖 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．179
5．3 奈奎斯特穩定判據 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．192
5．3．1 系統的奈奎斯特穩定條件 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．192
5．3．2 基于對數頻率特性圖的系統穩定性判據 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．199
5．4 控制系統的相對穩定性 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．201
5．5 控制系統的頻域性能指標 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．205
5．5．1 系統的閉環頻率特性 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．205
5．5．2 系統閉環頻率特性與開環頻率特性的關系 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．208
5．6 基于MATLAB 的系統頻域性能分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．210
5．6．1 系統的頻域特性函數 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．210
5．6．2 利用MATLAB 繪制頻率特性圖 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．212
習題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．216
第6 章 控制系統的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．221
6．1 控制系統設計的基本問題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．221
6．1．1 系統的校正 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．221
6．1．2 串聯校正裝置的一般結構 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．223
6．2 串聯校正裝置的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．226
6．2．1 串聯超前校正裝置的設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．226
6．2．2 串聯滯后校正裝置的設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．233
6．2．3 串聯滯后-超前校正裝置的設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．237
6．3 PID 控制系統的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．243
6．3．1 PID 控制器的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．243
6．3．2 設計PID 控制器的Z-N 法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．250
6．4 狀態反饋與極點配置設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．255
6．4．1 狀態反饋 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．256
6．4．2 極點配置設計法 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．256
6．5 應用MATLAB 進行控制系統設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．259
習題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．265
第7 章 離散控制系統的基礎理論 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．270
7．1 概述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．270
7．1．1 采樣控制系統 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．271
7．1．2 數字控制系統 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．271
7．2 離散信號與Z 變換 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．272
7．2．1 信號采樣與離散信號 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．272
7．2．2 離散信號的Z 變換 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．278
7．3 離散控制系統的數學模型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．284
7．3．1 差分方程 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．284
7．3．2 離散控制系統的狀態空間表達式 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．287
7．3．3 脈沖傳遞函數 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．289
7．4 離散控制系統的性能分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．295
7．4．1 離散控制系統的時域分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．295
7．4．2 離散控制系統的穩定性分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．299
7．4．3 離散控制系統的穩態誤差 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．304
7．4．4 離散控制系統的根軌跡分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．308
7．4．5 離散控制系統的頻域分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．309
7．5 離散控制系統的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．312
7．5．1 離散PID 控制器的模擬化設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．312
7．5．2 離散控制系統的離散化設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．316
7．6 應用MATLAB 分析與設計離散控制系統 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．316
7．6．1 連續控制系統的離散化 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．317
7．6．2 離散控制系統的數學模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．318
7．6．3 離散控制系統的分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．319
7．6．4 基于MATLAB 離散控制系統設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．324
習題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．325
參考文獻 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．330
附錄A 拉氏變換 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．331
附錄B 常用函數的拉氏變換與Z 變換表 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．336
附錄C 部分習題參考答案 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．337
第1 章 緒論 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．1
1．1 控制與反饋控制 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．1
1．2 開環控制和閉環控制 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．4
1．2．1 開環控制 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．4
1．2．2 閉環控制 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．4
1．3 控制系統的分類 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．5
1．4 控制理論的發展歷程 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．7
1．5 控制系統性能的基本要求和設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．9
1．5．1 控制系統性能的基本要求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．9
1．5．2 控制系統的設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．10
習題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．11
第2 章 控制系統的數學模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．12
2．1 數學模型概述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．12
2．2 控制系統的微分方程 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．13
2．2．1 控制系統微分方程的建立 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．13
2．2．2 非線性微分方程的線性化 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．17
2．3 控制系統的狀態方程 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．20
2．3．1 基本概念 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．20
2．3．2 線性系統狀態空間表達式的建立 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．23
2．4 控制系統的傳遞函數 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．26
2．4．1 傳遞函數的定義和特性 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．26
2．4．2 傳遞函數的計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．28
2．4．3 傳遞函數的基本形式 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．29
2．4．4 典型環節的傳遞函數 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．30
2．5 控制系統的框圖 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．35
2．5．1 框圖的組成及建立步驟 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．35
2．5．2 框圖的等效變換 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．36
2．5．3 梅遜公式 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．43
2．6 控制系統的傳遞函數 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．47
2．6．1 閉環控制系統的開環傳遞函數 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．47
2．6．2 閉環控制系統的閉環傳遞函數 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．48
2．7 應用MATLAB 建立系統數學模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．51
2．7．1 傳遞函數的MATLAB 模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．51
2．7．2 狀態空間表達式的MATLAB 模型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．55
習題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．58
第3 章 控制系統的時域分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．66
3．1 概述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．66
3．2 控制系統的典型輸入信號 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．67
3．3 控制系統時域響應的求解 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．70
3．3．1 基于微分方程求解時域響應 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．70
3．3．2 基于狀態方程求解時域響應 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．72
3．3．3 基于傳遞函數求解時域響應 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．76
3．4 控制系統的時域性能指標 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．77
3．4．1 系統時域響應的時間歷程 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．77
3．4．2 系統的動態性能指標 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．78
3．4．3 系統的穩態性能指標 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．79
3．5 控制系統的時域分析與性能指標計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．79
3．5．1 一階系統的時域分析與性能指標計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．80
3．5．2 二階系統的時域分析與性能指標計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．82
3．5．3 高階系統的時域分析與性能指標計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．90
3．6 控制系統的穩態誤差 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．93
3．6．1 穩態誤差的概念 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．93
3．6．2 系統的型次 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．94
3．6．3 系統穩態誤差的計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．95
3．6．4 提高系統穩態精度的方法 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．100
3．7 控制系統的穩定性分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．102
3．7．1 穩定性的概念 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．102
3．7．2 系統穩定的條件 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．103
3．7．3 系統穩定性的勞斯判據 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．107
3．7．4 勞斯判據的應用 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．110
3．8 控制系統的可控性和可觀測性 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．112
3．8．1 可控性及其判斷 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．112
3．8．2 可觀測性及其判斷 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．116
3．8．3 系統傳遞函數與可控性和可觀測性的關系 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．118
3．9 基于MATLAB 的系統時域響應計算和時域性能分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．119
3．9．1 系統的時域響應計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．119
3．9．2 系統的動態響應特性分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．122
3．9．3 系統穩定性分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．123
3．9．4 可控性和可觀測性分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．127
習題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．129
第4 章 控制系統的根軌跡分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．134
4．1 根軌跡的概念 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．134
4．2 根軌跡的基本條件與繪制規則 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．136
4．2．1 根軌跡的基本條件 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．137
4．2．2 根軌跡的繪制規則 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．138
4．3 控制系統根軌跡的繪制 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．148
4．3．1 *小相位系統的根軌跡繪制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．148
4．3．2 零度根軌跡的繪制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．149
4．3．3 系統的參量根軌跡繪制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．153
4．4 控制系統的根軌跡分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．155
4．4．1 增加開環零點和開環極點對根軌跡的影響 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．155
4．4．2 系統性能的根軌跡分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．158
4．5 基于MATLAB 的系統根軌跡分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．162
習題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．164
第5 章 控制系統的頻域分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．166
5．1 控制系統的頻率響應與頻率特性函數 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．166
5．1．1 系統的頻率響應 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．166
5．1．2 系統的頻率特性函數 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．168
5．2 控制系統的頻率特性圖 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．170
5．2．1 系統的極坐標圖 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．170
5．2．2 系統的對數頻率特性圖 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．179
5．3 奈奎斯特穩定判據 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．192
5．3．1 系統的奈奎斯特穩定條件 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．192
5．3．2 基于對數頻率特性圖的系統穩定性判據 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．199
5．4 控制系統的相對穩定性 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．201
5．5 控制系統的頻域性能指標 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．205
5．5．1 系統的閉環頻率特性 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．205
5．5．2 系統閉環頻率特性與開環頻率特性的關系 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．208
5．6 基于MATLAB 的系統頻域性能分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．210
5．6．1 系統的頻域特性函數 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．210
5．6．2 利用MATLAB 繪制頻率特性圖 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．212
習題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．216
第6 章 控制系統的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．221
6．1 控制系統設計的基本問題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．221
6．1．1 系統的校正 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．221
6．1．2 串聯校正裝置的一般結構 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．223
6．2 串聯校正裝置的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．226
6．2．1 串聯超前校正裝置的設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．226
6．2．2 串聯滯后校正裝置的設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．233
6．2．3 串聯滯后-超前校正裝置的設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．237
6．3 PID 控制系統的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．243
6．3．1 PID 控制器的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．243
6．3．2 設計PID 控制器的Z-N 法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．250
6．4 狀態反饋與極點配置設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．255
6．4．1 狀態反饋 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．256
6．4．2 極點配置設計法 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．256
6．5 應用MATLAB 進行控制系統設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．259
習題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．265
第7 章 離散控制系統的基礎理論 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．270
7．1 概述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．270
7．1．1 采樣控制系統 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．271
7．1．2 數字控制系統 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．271
7．2 離散信號與Z 變換 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．272
7．2．1 信號采樣與離散信號 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．272
7．2．2 離散信號的Z 變換 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．278
7．3 離散控制系統的數學模型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．284
7．3．1 差分方程 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．284
7．3．2 離散控制系統的狀態空間表達式 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．287
7．3．3 脈沖傳遞函數 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．289
7．4 離散控制系統的性能分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．295
7．4．1 離散控制系統的時域分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．295
7．4．2 離散控制系統的穩定性分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．299
7．4．3 離散控制系統的穩態誤差 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．304
7．4．4 離散控制系統的根軌跡分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．308
7．4．5 離散控制系統的頻域分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．309
7．5 離散控制系統的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．312
7．5．1 離散PID 控制器的模擬化設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．312
7．5．2 離散控制系統的離散化設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．316
7．6 應用MATLAB 分析與設計離散控制系統 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．316
7．6．1 連續控制系統的離散化 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．317
7．6．2 離散控制系統的數學模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．318
7．6．3 離散控制系統的分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．319
7．6．4 基于MATLAB 離散控制系統設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．324
習題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．325
參考文獻 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．330
附錄A 拉氏變換 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．331
附錄B 常用函數的拉氏變換與Z 變換表 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．336
附錄C 部分習題參考答案 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．337
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控制工程基礎(第2版) 作者簡介
譚躍剛，工學博士，現為武漢理工大學機電工程學院教授、博士生導師。研究方向為機器人及其控制、控制理論與應用、機械裝備動態監測技術與應用。
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