自動控制系統(tǒng)（原書第10版）

出版者的話
譯者序
前言
第1章　緒論1
11　控制系統(tǒng)的基本組成部分1
12　控制系統(tǒng)應用舉例2
121　智能交通系統(tǒng)2
122　汽車轉(zhuǎn)向控制3
123　汽車怠速控制3
124　太陽能收集器的太陽跟蹤控制3
13　開環(huán)控制系統(tǒng)（無反饋系統(tǒng)）5
14　閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）5
15　反饋的含義及其作用6
151　反饋對于總增益的影響6
152　反饋對于穩(wěn)定性的影響6
153　反饋對于外部干擾或噪聲的作用7
16　反饋控制系統(tǒng)的類型8
17　線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)8
18　時不變與時變系統(tǒng)9
19　連續(xù)控制系統(tǒng)9
110　離散控制系統(tǒng)10
111　案例研究：基于LEGOMINDSTORMS的智能車輛避障11
112　小結17
第2章　動態(tài)系統(tǒng)的建模18
21　簡單機械系統(tǒng)的建模18
211　平移運動19
212　旋轉(zhuǎn)運動22
213　平移和旋轉(zhuǎn)運動之間的轉(zhuǎn)換26
214　齒輪系28
215　齒隙和死區(qū)（非線性特性）29
22　簡單電氣系統(tǒng)的建模30
221　無源電氣元件建模30
222　電氣網(wǎng)絡建模30
23　簡單熱系統(tǒng)和簡單流體系統(tǒng)的建模33
231　熱系統(tǒng)的基本屬性34
232　流體系統(tǒng)的基本屬性36
24　非線性系統(tǒng)的線性化42
25　類比44
26　案例研究：LEGO MINDSTORMSNXT電動機—機械建模46
27　小結46
參考文獻47
習題47
第3章　動態(tài)系統(tǒng)的微分方程求解58
31　微分方程介紹58
311　線性常微分方程59
312　非線性微分方程59
32　拉普拉斯變換60
321　拉普拉斯變換的定義60
322　拉普拉斯變換的重要定理61
323　傳遞函數(shù)61
324　特征方程62
325　解析函數(shù)62
326　函數(shù)的極點62
327　函數(shù)的零點63
328　共軛復極點和零點64
329　終值定理65
33　部分分式展開的拉普拉斯逆變換65
34　拉普拉斯變換在線性常微分方程求解中的應用71
341　一階系統(tǒng)71
342　二階系統(tǒng)73
343　二階系統(tǒng)—進一步討論80
35　線性系統(tǒng)的脈沖響應和傳遞函數(shù)83
351　脈沖響應83
352　基于脈沖響應的時間響應84
353　傳遞函數(shù)（單輸入單輸出系統(tǒng)）85
36　系統(tǒng)的一階微分方程：狀態(tài)方程85
361　狀態(tài)變量的定義88
362　輸出方程89
37　線性齊次狀態(tài)方程的解92
371　傳遞函數(shù)（多變量系統(tǒng)）93
372　由狀態(tài)方程到特征方程95
373　由傳遞函數(shù)到狀態(tài)方程96
38　MATLAB案例研究99
39　線性化回顧：狀態(tài)空間方法104
310　小結108
參考文獻108
習題109
第4章　控制框圖和信號流圖119
41　控制框圖119
411　控制系統(tǒng)中典型元件的控制框圖建模120
412　數(shù)學方程和控制框圖的關系123
413　控制框圖簡化126
414　多輸入系統(tǒng)的控制框圖：特殊情況—擾動系統(tǒng)128
415　多變量系統(tǒng)的控制框圖與傳遞函數(shù)129
42　信號流圖131
421　信號流圖代數(shù)132
422　信號流圖術語的定義133
423　信號流圖的增益公式135
424　在輸出節(jié)點與非輸入節(jié)點間增益公式的應用139
425　簡化增益公式140
43　狀態(tài)圖141
431　由微分方程到狀態(tài)圖141
432　由狀態(tài)圖到傳遞函數(shù)143
433　由狀態(tài)圖到狀態(tài)和輸出方程143
44　案例研究145
45　MATLAB工具箱155
46　小結158
參考文獻158
習題158
第5章　線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性168
51　穩(wěn)定性介紹168
52　穩(wěn)定性判定方法171
53　Routh-Hurwitz判據(jù)171
531　Routh表格172
532　Routh表格提前終止時的特殊情形173
54　MATLAB工具和案例分析176
55　小結182
參考文獻182
習題182
第6章　反饋控制系統(tǒng)的重要組成186
61　有源電氣元件的建模：運算放大器188
611　理想運算放大器188
612　和與差188
613　一階運算放大器的配置188
62　控制系統(tǒng)中的傳感器和編碼器191
621　電位計191
622　轉(zhuǎn)速計194
623　增量編碼器195
63　控制系統(tǒng)中的直流電動機197
631　直流電動機的基本操作原理198
632　永磁直流電動機的基本分類198
633　永磁直流電動機的數(shù)學模型200
64　直流電動機的速度控制及位置控制203
641　速度響應、自感效應和擾動：開環(huán)響應203
642　直流電動機的速度控制：閉環(huán)響應206
643　位置控制207
65　案例研究208
651　案例1：太陽觀測系統(tǒng)208
652　案例2：四分之一車輛懸掛系統(tǒng)210
66　虛擬實驗室：LEGO MINDSTORMSNXT電動機入門—建模和表征213
661　NXT電動機213
662　電氣特性213
663　機械特性214
664　速度響應和模型驗證220
67　小結221
參考文獻221
習題221
第7章　控制系統(tǒng)的時域分析234
71　連續(xù)時間系統(tǒng)的時間響應234
72　評價控制系統(tǒng)時間響應性能的典型測試信號235
73　單位階躍響應和時域描述236
74　一階系統(tǒng)的時間響應237
75　二階系統(tǒng)的暫態(tài)響應240
751　阻尼比和自然頻率240
752　最大超調(diào)（0
753　延遲時間和上升時間（0
754　調(diào)節(jié)時間（5%和2%）247
755　暫態(tài)響應性能指標總結250
76　穩(wěn)態(tài)誤差253
761　穩(wěn)態(tài)誤差的定義253
762　有干擾情況下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差259
763　控制系統(tǒng)的類型：單位反饋系統(tǒng)261
764　誤差常數(shù)261
765　非線性系統(tǒng)元件產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差265
77　基礎控制系統(tǒng)以及傳遞函數(shù)增加零極點帶來的影響267
771　在前向通道傳遞函數(shù)中增加一個極點：單位反饋系統(tǒng)267
772　在閉環(huán)傳遞函數(shù)中增加一個極點269
773　在閉環(huán)傳遞函數(shù)中增加一個零點270
774　在前向通道傳遞函數(shù)中增加一個零點：單位反饋系統(tǒng)271
775　增加零極點：時域響應控制272
78　傳遞函數(shù)的主導零極點277
781　零極點影響的總結278
782　相對阻尼比279
783　穩(wěn)態(tài)響應考慮下的次要極點忽略方法279
79　案例研究：定位控制系統(tǒng)的時域分析279
791　二階系統(tǒng)：單位階躍暫態(tài)響應281
792　二階系統(tǒng)：單位階躍穩(wěn)態(tài)響應284
793　三階系統(tǒng)的時間響應—電氣時間常數(shù)不能忽略284
794　三階系統(tǒng)：單位階躍暫態(tài)響應284
795　三階系統(tǒng)：單位階躍穩(wěn)態(tài)響應287
710　控制實驗室：LEGO MINDSTORMS NXT電動機介紹—位置控制287
711　小結291
參考文獻292
習題292
第8章　狀態(tài)空間分析與控制器設計305
81　狀態(tài)變量分析305
82　控制框圖、傳遞函數(shù)和狀態(tài)控制框圖305
821　傳遞函數(shù)（多變量系統(tǒng)）305
822　多變量系統(tǒng)的控制框圖和傳遞函數(shù)306
83　一階微分系統(tǒng)的狀態(tài)方程308
831　狀態(tài)變量的定義308
832　輸出方程309
84　狀態(tài)方程的向量-矩陣表示310
85　狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣312
851　狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的意義313
852　狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的性質(zhì)313
86　狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程314
87　狀態(tài)方程與高階微分方程之間的關系318
88　狀態(tài)方程與傳遞函數(shù)之間的關系319
89　特征方程、特征值和特征向量321
891　由微分方程求特征方程322
892　由傳遞函數(shù)求特征方程322
893　由狀態(tài)方程求特征方程322
894　特征值323
895　特征向量323
896　廣義特征向量324
810　相似變換325
8101　相似變換的不變特性326
8102　相似變換前后的特征方程、特征值和特征向量326
8103　傳遞函數(shù)矩陣326
8104　能控標準型326
8105　能觀標準型328
8106　對角標準型329
8107　Jordan標準型330
811　傳遞函數(shù)分解331
8111　直接分解331
8112　串級分解335
8113　并行分解336
812　控制系統(tǒng)的能控性337
8121　能控性的概念338
8122　狀態(tài)能控性的定義339
8123　能控性的其他檢驗方法339
813　線性系統(tǒng)的能觀性341
8131　能觀性的定義341
8132　能觀性的其他檢驗方法342
814　能控性、能觀性和傳遞函數(shù)之間的關系342
815　能控性和能觀性的不變性定理344
816　案例研究：磁球懸浮系統(tǒng)345
817　狀態(tài)反饋控制348
818　通過狀態(tài)反饋進行極點配置349
819　帶有積分控制的狀態(tài)反饋353
820　MATLAB工具箱和案例學習358
8201　狀態(tài)空間分析工具箱的使用和說明359
8202　tfsym在狀態(tài)空間應用中的使用和說明361
821　案例研究：LEGO MINDSTORMS機器臂系統(tǒng)的位置控制361
822　小結366
參考文獻367
習題367
第9章　根軌跡法386
91　根軌跡的基本性質(zhì)387
92　根軌跡的性質(zhì)詳解389
921　K=0和K=±∞的點389
922　RL的分支數(shù)390
923　RL的對稱性390
924　RL的漸近線交角：|s|=∞處RL的行為391
925　漸近線的交點（質(zhì)心）392
926　實軸上的RL395
927　RL的出射角和入射角395
928　RL與虛軸的交點398
929　RL的分離點（鞍點）398
9210　RL在分離點處的入射角和出射角399
9211　RL上K值的計算402
9212　小結402
93　根靈敏度406
94　根軌跡設計410
941　在G(s)H(s)中增加零極點的影響410
942　在G(s)H(s)中增加極點410
943　在G(s)H(s)中增加零點412
95　根軌跡族：多參數(shù)變化情形415
96　MATLAB工具箱421
97　小結422
參考文獻423
習題423
第10章　頻域分析430
101　引言430
1011　閉環(huán)系統(tǒng)的頻率響應437
1012　頻域指標438
102　二階系統(tǒng)的諧振峰值、諧振頻率和帶寬439
1021　諧振峰值和諧振頻率439
1022　帶寬440
103　前向通道傳遞函數(shù)增加極點和零點的影響442
1031　前向通道傳遞函數(shù)增加零點的影響443
1032　前向通道傳遞函數(shù)增加極點的影響447
104　Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)：基本原理449
1041　穩(wěn)定性問題449
1042　環(huán)繞和閉合的定義450
1043　環(huán)繞和閉合的次數(shù)451
1044　幅角原理451
1045　Nyquist曲線455
1046　Nyquist判據(jù)以及L(s)或G(s)H(s)圖455
105　具有最小相位傳遞函數(shù)的系統(tǒng)的Nyquist判據(jù)456
106　根軌跡和Nyquist圖的關系458
107　示例：最小相位傳遞函數(shù)的Nyquist判據(jù)460
108　增加的極點和零點對Nyquist圖的形狀的影響464
1081　在s=0處加入極點464
1082　增加有限個非零極點466
1083　增加零點466
109　相對穩(wěn)定性：增益裕量和相位裕量467
1091　增益裕量469
1092　非最小相位系統(tǒng)的增益裕量470
1093　相位裕量470
1010　用Bode圖進行穩(wěn)定性分析472
1011　相對穩(wěn)定性與Bode圖的幅值曲線的斜率之間的關系475
1012　用幅值-相位圖進行穩(wěn)定性分析477
101