自動控制原理（第2版）

"史靜平，西北工業大學教授/博導，中國航空學會會員，中國導航制導與控制委員會委員，陜西省自動化學會控制專委會委員，陜西省自動化學會教育及普及委員會委員。主要研究領域為飛行控制技術，非常規布局飛機控制分配技術、無人機自主控制技術、無人機自主協同作戰技術，主動射流飛行控制技術等。賈秋玲，西北工業大學副教授、碩導，研究方向為非線性系統控制理論、魯棒控制和導航制導與控制。主講自動控制原理課程，獲評國家精品課程和國家級一流本科課程，參編教材《自動控制原理》2023年獲西北工業大學優秀教材特等獎。盧京潮，西北工業大學教授/博導，長期從事控制科學與工程專業領域的教學與科研工作，已培養研究生70余人。先後主持省級教學研究項目2項，負責完成國家精品課建設工作，獲第3屆陜西省教學名師獎。"

目錄

課件等資源

第1章自動控制的一般概念

1.1引言

1.2自動控制理論發展概述

1.3自動控制和自動控制系統的基本概念

1.3.1自動控制問題的提出

1.3.2開環控制系統

1.3.3閉環控制系統

1.3.4開環控制系統與閉環控制系統的比較

1.3.5復合控制系統

1.4自動控制系統的基本組成

1.5控制系統示例

1.6自動控制系統的分類

1.6.1恒值控制系統、隨動控制系統和程序控制系統

1.6.2定常系統和時變系統

1.6.3線性系統和非線性系統

1.6.4連續系統與離散系統

1.6.5單變量系統和多變量系統

1.7對控制系統性能的基本要求

1.8本課程的研究內容

1.9小結

習題

第2章控制系統的數學模型

2.1引言

2.2控制系統的時域數學模型

2.2.1線性元部件、線性系統微分方程的建立

2.2.2非線性系統微分方程的線性化

2.2.3線性定常微分方程求解

2.2.4運動的模態

2.3控制系統的復域數學模型

2.3.1傳遞函數

2.3.2常用控制元件的傳遞函數

2.3.3典型環節

2.3.4傳遞函數的標準形式

2.4控制系統的結構圖及其等效變換

2.4.1結構圖

2.4.2結構圖等效變換

2.5控制系統的信號流圖

2.5.1信號流圖

2.5.2梅遜增益公式

2.6控制系統的傳遞函數

2.6.1系統的開環傳遞函數

2.6.2閉環系統的傳遞函數

2.6.3閉環系統的誤差傳遞函數

2.7工程領域的控制問題示例——飛機的縱向運動模型

2.8小結

習題

第3章線性系統的時域分析與校正

3.1概述

3.1.1時域法的作用和特點

3.1.2時域法常用的典型輸入信號

3.1.3系統的時域性能指標

3.2一階系統的時間響應及動態性能

3.2.1一階系統傳遞函數標準形式及單位階躍響應

3.2.2一階系統動態性能指標計算

3.2.3典型輸入下一階系統的響應

3.3二階系統的時間響應及動態性能

3.3.1二階系統傳遞函數標準形式及分類

3.3.2過阻尼二階系統動態性能指標計算

3.3.3欠阻尼二階系統動態性能指標計算

3.3.4改善二階系統動態性能的措施

3.3.5附加閉環零極點對系統動態性能的影響

3.4高階系統的階躍響應及動態性能

3.4.1高階系統單位階躍響應

3.4.2閉環主導極點

3.4.3估算高階系統動態性能指標的零極點法

3.5線性系統的穩定性分析

3.5.1穩定性的概念

3.5.2穩定的充要條件

3.5.3穩定判據

3.6線性系統的穩態誤差

3.6.1誤差與穩態誤差

3.6.2計算穩態誤差的一般方法

3.6.3靜態誤差系數法

3.6.4幹擾作用引起的穩態誤差分析

3.6.5動態誤差系數法

3.7線性系統時域校正

3.7.1反饋校正

3.7.2復合校正

3.8工程領域的控制問題示例——基於時域法的飛機縱向姿態控制

分析與校正

3.9小結

習題

第4章根軌跡法

4.1根軌跡法的基本概念

4.1.1根軌跡的基本概念

4.1.2根軌跡與系統性能

4.1.3閉環零極點與開環零極點之間的關系

4.1.4根軌跡方程

4.2繪制根軌跡的基本法則

4.3廣義根軌跡

4.3.1參數根軌跡

4.3.2零度根軌跡

4.4利用根軌跡分析系統性能

4.4.1利用閉環主導極點估算系統的性能指標

4.4.2開環零極點分布對系統性能的影響

4.5工程領域的控制問題示例——基於根軌跡法的飛機俯仰角控制

4.6小結

習題

第5章線性系統的頻域分析與校正

5.1頻率特性的基本概念

5.1.1頻率響應

5.1.2頻率特性

5.1.3頻率特性的圖形表示方法 

5.2幅相頻率特性（Nyquist圖）

5.2.1典型環節的幅相特性曲線

5.2.2開環系統幅相特性曲線的繪制

5.3對數頻率特性（Bode圖）

5.3.1典型環節的Bode圖

5.3.2開環系統Bode圖的繪制

5.3.3由對數幅頻特性曲線確定開環傳遞函數

5.3.4最小相角系統和非最小相角系統

5.4頻域穩定判據

5.4.1奈奎斯特穩定判據

5.4.2奈奎斯特穩定判據的應用

5.4.3對數穩定判據

5.5穩定裕度

5.5.1穩定裕度的定義

5.5.2穩定裕度的計算

5.6利用開環對數幅頻特性分析系統的性能

5.6.1L(ω)低頻段漸近線與系統穩態誤差的關系

5.6.2L(ω)中頻段特性與系統動態性能的關系

5.6.3L(ω)高頻段特性與系統抗高頻幹擾能力的關系

5.7閉環頻率特性曲線的繪制

5.7.1用向量法求閉環頻率特性

5.7.2尼柯爾斯圖

5.8利用閉環頻率特性分析系統的性能

5.8.1閉環頻率特性的幾個特征量

5.8.2閉環頻域指標與時域指標的關系

5.9頻率法串聯校正

5.9.1相角超前校正

5.9.2相角滯後校正

5.9.3滯後超前校正

5.9.4串聯PID校正

5.10工程領域的控制問題示例——基於頻域法的飛機俯仰控制

5.11小結

習題

第6章線性離散系統的分析與校正

6.1離散系統

6.2信號采樣與保持

6.2.1信號采樣

6.2.2采樣定理

6.2.3采樣周期的選擇

6.2.4零階保持器

6.3z變換

6.3.1z變換定義

6.3.2z變換方法

6.3.3z變換基本定理

6.3.4z反變換

6.3.5z變換的局限性

6.4離散系統的數學模型

6.4.1差分方程及其解法

6.4.2脈沖傳遞函數

6.4.3開環系統脈沖傳遞函數

6.4.4閉環系統脈沖傳遞函數

6.5穩定性分析

6.5.1s域到z域的映射

6.5.2穩定的充分必要條件

6.5.3穩定性判據

6.6穩態誤差計算

6.6.1一般方法（利用終值定理）

6.6.2靜態誤差系數法

6.6.3動態誤差系數法

6.7動態性能分析

6.7.1閉環極點分布與瞬態響應

6.7.2動態性能分析

6.8離散系統的模擬化校正

6.8.1常用的離散化方法

6.8.2模擬化校正舉例

6.9離散系統的數字校正

6.9.1數字控制器的脈沖傳遞函數

6.9.2最少拍系統設計

6.10工程領域的控制問題示例——飛機縱向姿態控制律的離散化

6.11小結

習題

第7章非線性控制系統分析

7.1非線性控制系統概述

7.1.1非線性現象的普遍性

7.1.2控制系統中的典型非線性特性

7.1.3非線性控制系統的特點

7.1.4非線性控制系統的分析方法 

7.2相平面法（二階）

7.2.1相平面的基本概念

7.2.2相軌跡的性質

7.2.3相軌跡的繪制

7.2.4由相軌跡求時間解

7.2.5二階線性系統的相軌跡

7.2.6非線性系統的相平面分析

7.3描述函數法

7.3.1描述函數的基本概念

7.3.2典型非線性特性的描述函數

7.3.3用描述函數法分析非線性系統

7.4改善非線性系統性能的措施

7.4.1調整線性部分的結構參數

7.4.2改變非線性特性

7.4.3非線性特性的利用

7.5工程領域的控制問題示例——舵機死區特性對飛機穩定性的影響分析

7.6小結

習題

第8章控制系統的狀態空間分析與綜合

8.1控制系統的狀態空間描述

8.1.1系統數學描述的兩種基本形式

8.1.2狀態空間描述常用的基本概念

8.1.3系統的傳遞函數矩陣

8.1.4線性定常系統動態方程的建立

8.2線性系統的運動分析

8.2.1線性定常連續系統的自由運動

8.2.2狀態轉移矩陣的性質

8.2.3線性定常連續系統的受控運動

8.2.4線性定常離散系統的運動分析

8.2.5連續系統的離散化

8.3控制系統的李雅普諾夫穩定性分析

8.3.1李雅普諾夫穩定性概念 

8.3.2李雅普諾夫穩定性間接判別法 

8.3.3李雅普諾夫穩定性直接判別法 

8.3.4線性定常系統的李雅普諾夫穩定性分析

8.3.5李雅普諾夫穩定性、BIBS穩定性、BIBO穩定性之間的關系

8.4線性系統的可控性和可觀測性

8.4.1可控性和可觀測性的概念

8.4.2線性定常系統的可控性

8.4.3線性定常系統的可觀測性

8.4.4可控性、可觀測性與傳遞函數矩陣的關系

8.4.5連續系統離散化後的可控性與可觀測性

8.5線性系統非奇異線性變換及系統的規範分解

8.5.1線性系統的非奇異線性變換及其性質

8.5.2幾種常用的線性變換

8.5.3對偶原理

8.5.4線性系統的規範分解

8.6線性定常控制系統的綜合設計

8.6.1狀態反饋與極點配置

8.6.2輸出反饋與極點配置

8.6.3狀態重構與狀態觀測器設計

8.6.4降維狀態觀測器的概念

8.7小結

習題

附錄A拉普拉斯變換及反變換

A.1拉普拉斯變換的基本性質

A.2常用函數的拉普拉斯變換和z變換

A.3用查表法進行拉普拉斯反變換

附錄B常見的無源及有源校正網絡

附錄C綜合練習題

C.1練習1

C.2練習2

附錄D習題答案

附錄E課程總結

附錄F課程總復習

參考文獻