自動控制理論及應用

劉妹琴：西安交通大學二級教授，教育部長江學者獎勵計劃特聘教授，教育部創新團隊項目負責人，科技部創新人才推進計劃中青年科技創新領軍人才，國家優秀青年科學基金獲得者（首批），國家重點研發計劃首席科學家，中國自動化學會會士，中國自動化學會工業視覺專委會副主任。長期從事控制理論、人工智能、信息融合等方面的教學和科研工作。主講“現代控制工程”“現代控制理論”“**控制”等課程。主持20多項國家級、省部級和國防項目。近五年，發表學術論文200余篇，出版學術專著2部、教材2部，獲授權發明專利40余項。榮獲浙江省科學技術獎二等獎3項、中國自動化學會自然科學獎一等獎1項，並榮獲中國自動化學會第三屆青年科學家獎。

CONTENTS

目錄

第1章緒論00

1.1控制理論發展概況00

1.1.1經典控制理論的產生和發展00

1.1.2現代控制理論的產生和發展00

1.1.3智能控制理論的產生和發展00

1.2自動控制系統的結構00

1.2.1開環控制系統00

1.2.2閉環控制系統00

1.2.3復合控制系統00

1.2.4反饋控制系統的組成和術語00

1.3自動控制系統分類00

1.3.1線性系統與非線性系統00

1.3.2連續系統與離散系統00

1.3.3定常系統與時變系統00

1.3.4單輸入單輸出系統與多輸入多輸出系統00

1.3.5恒值系統和隨動系統00

1.4自動控制系統的基本要求00

1.4.1穩定性0

1.4.2暫態性能0

1.4.3穩態性能0

1.5自動控制系統的分析與設計工具0

1.6本書的內容安排0

本章小結0

習題10

第2章連續控制系統的數學模型0

2.1控制系統數學模型基本概念0

2.1.1數學模型的定義與主要類型0

2.1.2建立數學模型的方法0

2.2控制系統的微分方程0

2.3控制系統的傳遞函數0

2.3.1傳遞函數的定義以及表達式0

2.3.2典型環節的傳遞函數0

2.3.3系統方塊圖0

2.3.4信號流圖與梅森公式0

2.4控制系統的狀態空間模型0

2.4.1狀態空間的基本概念0

2.4.2狀態空間模型的建立0

2.4.3狀態空間模型的圖示形式0

2.5各種數學模型之間的關系0

2.5.1由微分方程或傳遞函數轉化為狀態空間模型0

2.5.2由狀態空間模型求傳遞函數(矩陣)0

2.5.3由方塊圖求狀態空間模型0

2.6數學模型的MATLAB描述0

2.6.1系統傳遞函數的MATLAB表示及轉換0

2.6.2應用MATLAB簡化系統方塊圖0

2.6.3基於MATLAB分析狀態空間模型0

本章小結0

習題20

第3章連續控制系統的時域分析與設計0

3.1連續系統暫態性能分析0

3.1.1典型輸入信號0

3.1.2暫態性能指標0

3.1.3一階系統的暫態性能分析0

3.1.4典型二階系統的暫態性能分析0

3.1.5高階系統暫態性能近似分析0

3.2連續系統穩態性能分析0

3.2.1控制系統誤差與穩態誤差的定義0

3.2.2終值定理法0

3.2.3系統類型0

3.2.4誤差系數法0

3.2.5擾動作用下的穩態誤差分析0

3.3連續系統狀態方程的求解與分析0

3.3.1定常齊次狀態方程的解0

3.3.2狀態轉移矩陣

3.3.3定常系統的狀態響應及輸出響應

3.4連續控制系統的穩定性分析

3.4.1穩定性基本概念

3.4.2勞斯判據

3.4.3赫爾維茨穩定判據

3.4.4李雅普諾夫第一法

3.5連續控制系統的時域設計

3.6應用MATLAB進行連續控制系統時域分析與設計

3.6.1應用MATLAB分析系統穩定性

3.6.2應用MATLAB求解系統的階躍響應

3.6.3應用MATLAB計算系統矩陣指數函數

3.6.4應用MATLAB計算系統狀態響應與輸出響應

本章小結

習題3

第4章連續控制系統的根軌跡法

4.1根軌跡的基本概念

4.1.1根軌跡的概念

4.1.2根軌跡方程

4.1.3閉環零點、極點和開環零點、極點之間的關系

4.2根軌跡的繪制方法

4.3廣義根軌跡繪制

4.3.1參數根軌跡

4.3.2零度根軌跡

4.4基於根軌跡的系統性能分析

4.4.1開環極點對系統性能的影響

4.4.2開環零點對系統性能的影響

4.4.3開環增益K的選取

4.5基於根軌跡的系統校正裝置設計

4.5.1超前校正設計

4.5.2滯後校正設計

4.5.3滯後超前校正設計

4.5.4PID控制器設計

4.6應用MATLAB進行基於根軌跡的控制系統分析和設計

4.6.1用MATLAB繪制根軌跡圖

4.6.2用MATLAB對系統根軌跡分析及設計舉例

本章小結

習題4

第5章連續控制系統的頻率法

5.1頻率特性

5.1.1頻率特性的定義

5.1.2頻率響應

5.1.3頻率特性的幾何表示

5.2奈奎斯特圖

5.2.1典型環節的奈奎斯特圖

5.2.2開環系統的奈奎斯特圖

5.3伯德圖

5.3.1典型環節的伯德圖

5.3.2開環系統的伯德圖

5.3.3由伯德圖確定傳遞函數

5.4奈奎斯特穩定判據

5.4.1輻角原理

5.4.2奈奎斯特穩定判據

5.4.3奈奎斯特穩定判據的應用

5.5控制系統相對穩定性分析

5.5.1用奈奎斯特圖表示相位裕度和幅值裕度

5.5.2用伯德圖表示相位裕度和幅值裕度

5.6基於頻率響應的校正裝置設計

5.6.1頻率指標與時域指標的關系

5.6.2超前校正設計

5.6.3滯後校正設計

5.6.4滯後超前校正設計

5.7應用MATLAB進行基於頻率響應的控制系統分析和設計

本章小結

習題5

第6章連續控制系統的狀態空間法

6.1連續系統的能控性與能觀性分析

6.1.1系統能控性和能觀性的直觀示例

6.1.2連續系統能控性及其判據

6.1.3連續系統能觀性及其判據

6.2連續系統的結構分解

6.2.1線性定常系統的能控規範型與能觀規範型

6.2.2系統的結構分解

6.2.3能控性、能觀性與傳遞函數(矩陣)的關系

6.3連續系統的狀態反饋控制器設計

6.3.1狀態反饋控制系統組成

6.3.2狀態反饋控制系統極點任意配置的條件

6.3.3單輸入系統極點配置算法

6.3.4狀態反饋對系統能控性和能觀性的影響

6.4連續系統的狀態觀測器設計

6.4.1狀態重構與全維狀態觀測器

6.4.2降維狀態觀測器

6.4.3引入觀測器的狀態反饋控制系統

6.5應用MATLAB進行基於狀態空間法的連續系統分析與設計

6.5.1系統能控性、能觀性判別

6.5.2狀態反饋極點配置

6.5.3狀態觀測器設計

本章小結

習題6

第7章離散控制系統分析與設計

7.1采樣過程與采樣定理

7.1.1采樣過程及其數學描述

7.1.2保持器

7.1.3采樣定理

7.2Z變換基礎

7.2.1Z變換的定義

7.2.2Z變換的性質

7.2.3Z變換方法

7.2.4Z逆變換

7.3離散控制系統的數學描述及求解

7.3.1差分方程及其求解

7.3.2脈沖傳遞函數

7.3.3離散系統的狀態空間模型

7.3.4脈沖傳遞函數與狀態空間模型相互轉化

7.4離散控制系統的頻域與復頻域分析與設計

7.4.1離散系統的穩定性分析

7.4.2基於Z域的分析與設計

7.4.3基於頻域特性的分析與設計

7.5離散控制系統的狀態空間分析與設計

7.5.1離散系統的時域分析

7.5.2離散系統的能控性與能觀性分析

7.5.3離散系統的狀態反饋控制

7.6連續系統與離散系統的關聯與區別

7.6.1連續系統離散化的穩定性

7.6.2連續系統離散化的能控性和能觀性

7.6.3數字控制系統分析與設計

7.7應用MATLAB進行離散系統分析與設計

7.7.1Z變換基礎

7.7.2連續系統的離散化

7.7.3離散系統的時域分析

7.7.4離散系統的頻域分析

本章小結

習題7

第8章自動控制理論的應用舉例

8.1飛行控制系統的分析與設計

8.1.1副翼偏轉對應滾轉角系統的反饋設計 

8.1.2方向舵對應偏航角系統的反饋設計

8.2水面無人艇運動控制系統的分析與設計

8.2.1無人艇運動模型的建立

8.2.2無人艇PID運動控制

8.3全自主雙輪平衡車數學建模與控制系統設計

8.3.1雙輪平衡車數學模型

8.3.2狀態反饋控制器的設計

8.4倒立擺離散控制系統的分析與設計

8.4.1倒立擺系統的數學模型

8.4.2系統的特性分析

8.4.3狀態反饋控制器設計

本章小結

參考文獻