自動控制系統（原書第10版） Automatic Control Systems, 10/e

Farid Golnaraghi

康奈爾大學獲得理論和應用力學博士，專攻非線性動力學和控制系統。
現為加拿大西蒙弗雷澤大學（SFU）教授和機電系統工程項目主任。
在加入西蒙弗雷澤大學之前，他是滑鐵盧大學機械工程和機電一體化系教授。
他是加拿大工程院院士，開創性研究成果包括三本教科書、
兩百多篇期刊和會議論文、四項專利和三家初創公司。

Benjamin C.Kuo

伊利諾伊大學香檳（UIUC）分校電氣和計算機工程系榮休教授。
他在1958年博士畢業後加入該系，並在這里工作了31年。
作為自動控制領域的研究者和教育者，他的成績斐然，是一位真正有遠見的先驅者。

出版者的話
譯者序
前言
第1章緒論1
1.1控制系統的基本組成部分1
1.2控制系統應用舉例2
1.2.1智能交通系統2
1.2.2汽車轉向控制3
1.2.3汽車怠速控制3
1.2.4太陽能收集器的太陽跟踪控制3
1.3開環控制系統（無反饋系統）5
1.4閉環控制系統（反饋控制系統）5
1.5反饋的含義及其作用6
1.5.1反饋對於總增益的影響6
1.5.2反饋對於穩定性的影響6
1.5.3反饋對於外部干擾或噪聲的作用7
1.6反饋控制系統的類型8
1.7線性系統與非線性系統8
1.8時不變與時變系統9
1.9連續控制系統9
1.10離散控制系統10
1.11案例研究：基於LEGOMINDSTORMS的智能車輛避障11
1.12小結17

第2章動態系統的建模18
2.1簡單機械系統的建模18
2.1.1平移運動19
2.1.2旋轉運動22
2.1.3平移和旋轉運動之間的轉換26
2.1.4齒輪系28
2.1.5齒隙和死區（非線性特性）29
2.2簡單電氣系統的建模30
2.2.1無源電氣元件建模30
2.2.2電氣網絡建模30
2.3簡單熱系統和簡單流體系統的建模33
2.3.1熱系統的基本屬性34
2.3.2流體系統的基本屬性36
2.4非線性系統的線性化42
2.5類比44
2.6案例研究：LEGO MINDSTORMSNXT電動機—機械建模46
2.7小結46
參考文獻47
習題47

第3章動態系統的微分方程求解58
3.1微分方程介紹58
3.1.1線性常微分方程59
3.1.2非線性微分方程59
3.2拉普拉斯變換60
3.2.1拉普拉斯變換的定義60
3.2.2拉普拉斯變換的重要定理61
3.2. 3傳遞函數61
3.2.4特徵方程62
3.2.5解析函數62
3.2.6函數的極點62
3.2.7函數的零點63
3.2.8共軛復極點和零點64
3.2.9終值定理65
3.3部分分式展開的拉普拉斯逆變換65
3.4拉普拉斯變換在線性常微分方程求解中的應用71
3.4.1一階系統71
3.4.2二階系統73
3.4.3二階系統—進一步討論80
3.5線性系統的脈衝響應和傳遞函數83
3.5.1脈衝響應83
3.5.2基於脈衝響應的時間響應84
3.5.3傳遞函數（單輸入單輸出系統）85
3.6系統的一階微分方程：狀態方程85
3.6.1狀態變量的定義88
3.6.2輸出方程89
3.7線性齊次狀態方程的解92
3.7.1傳遞函數（多變量系統） 93
3.7.2由狀態方程到特徵方程95
3.7.3由傳遞函數到狀態方程96
3.8 MATLAB案例研究99
3.9線性化回顧：狀態空間方法104
3.10小結108
參考文獻108
習題109

第4章控制框圖和信號流圖119
4.1控制框圖119
4.1.1控制系統中典型元件的控制框圖建模120
4.1.2數學方程和控制框圖的關係123
4.1.3控制框圖簡化126
4.1.4多輸入系統的控制框圖：特殊情況—擾動系統128
4.1.5多變量系統的控制框圖與傳遞函數129
4.2信號流圖131
4.2.1信號流圖代數132
4.2.2信號流圖術語的定義133
4.2.3信號流圖的增益公式135
4.2.4在輸出節點與非輸入節點間增益公式的應用139
4.2.5簡化增益公式140
4.3狀態圖141
4.3.1由微分方程到狀態圖141
4.3.2由狀態圖到傳遞函數143
4.3.3由狀態圖到狀態和輸出方程143
4.4案例研究145
4.5 MATLAB工具箱155
4.6小結158
參考文獻158
習題158
第5章線性控制系統的穩定性168
5.1穩定性介紹168
5.2穩定性判定方法171
5.3 Routh-Hurwitz判據171
5.3.1 Routh表格172
5.3.2 Routh表格提前終止時的特殊情形173
5.4 MATLAB工具和案例分析176
5.5小結182
參考文獻182
習題182

第6章反饋控制系統的重要組成186
6.1有源電氣元件的建模：運算放大器188
6.1.1理想運算放大器188
6.1.2和與差188
6.1.3一階運算放大器的配置188
6.2控制系統中的傳感器和編碼器191
6.2.1電位計191
6.2.2轉速計194
6.2.3增量編碼器195
6.3控制系統中的直流電動機197
6.3.1直流電動機的基本操作原理198
6.3.2永磁直流電動機的基本分類198
6.3.3永磁直流電動機的數學模型200
6.4直流電動機的速度控制及位置控制203
6.4.1速度響應、自感效應和擾動：開環響應203
6.4.2直流電動機的速度控制：閉環響應206
6.4.3位置控制207
6.5案例研究208
6.5.1案例1：太陽觀測系統208
6.5.2案例2：四分之一車輛懸掛系統210
6.6虛擬實驗室：LEGO MINDSTORMSNXT電動機入門—建模和表徵213
6.6.1 NXT電動機213
6.6.2電氣特性213
6.6.3機械特性214
6.6.4速度響應和模型驗證220
6.7小結221
參考文獻221
習題221

第7章控制系統的時域分析234
7.1連續時間系統的時間響應234
7.2評價控制系統時間響應性能的典型測試信號235
7.3單位階躍響應和時域描述236
7.4一階系統的時間響應237
7.5二階系統的暫態響應240
7.5.1阻尼比和自然頻率240
7.5.2超調（0 7.5.3延遲時間和上升時間（0 7.5.4調節時間（5%和2%）247
7.5.5暫態響應性能指標總結250
7.6穩態誤差253
7.6.1穩態誤差的定義253
7.6.2有乾擾情況下的系統穩態誤差259
7.6.3控制系統的類型：單位反饋系統261
7.6.4誤差常數261
7.6.5非線性系統元件產生的穩態誤差265
7.7基礎控制系統以及傳遞函數增加零極點帶來的影響267
7.7.1在前向通道傳遞函數中增加一個極點：單位反饋系統267
7.7.2在閉環傳遞函數中增加一個極點269
7.7.3在閉環傳遞函數中增加一個零點270
7.7.4在前向通道傳遞函數中增加一個零點：單位反饋系統271
7.7.5增加零極點：時域響應控制272
7.8傳遞函數的主導零極點277
7.8.1零極點影響的總結278
7.8.2相對阻尼比279
7.8.3穩態響應考慮下的次要極點忽略方法279
7.9案例研究：定位控制系統的時域分析279
7.9.1二階系統：單位階躍暫態響應281
7.9.2二階系統：單位階躍穩態響應284
7.9.3三階系統的時間響應—電氣時間常數不能忽略284
7.9.4三階系統：單位階躍暫態響應284
7.9.5三階系統：單位階躍穩態響應287
7.10控制實驗室：LEGO MINDSTORMS NXT電動機介紹—位置控制287
7.11小結291
參考文獻292
習題292

第8章狀態空間分析與控制器設計305
8.1狀態變量分析305
8.2控制框圖、傳遞函數和狀態控制框圖305
8.2.1傳遞函數（多變量系統）305
8.2.2多變量系統的控制框圖和傳遞函數306
8.3一階微分系統的狀態方程308
8.3.1狀態變量的定義308
8.3.2輸出方程309
8.4狀態方程的向量-矩陣表示310
8.5狀態轉移矩陣312
8.5.1狀態轉移矩陣的意義313
8.5.2狀態轉移矩陣的性質313
8.6狀態轉移方程314
8.7狀態方程與高階微分方程之間的關係318
8.8狀態方程與傳遞函數之間的關係319
8.9特徵方程、特徵值和特徵向量321
8.9.1由微分方程求特徵方程322
8.9.2由傳遞函數求特徵方程322
8.9.3由狀態方程求特徵方程322
8.9.4特徵值323
8.9.5特徵向量323
8.9.6廣義特徵向量324
8.10相似變換325
8.10.1相似變換的不變特性326
8.10.2相似變換前後的特徵方程、特徵值和特徵向量326
8.10.3傳遞函數矩陣326
8.10.4能控標準型326
8.10.5能觀標準型328
8.10.6對角標準型329
8.10.7 Jordan標準型330
8.11傳遞函數分解331
8.11.1直接分解331
8.11.2串級分解335
8.11.3並行分解336
8.12控制系統的能控性337
8.12.1能控性的概念338
8.12.2狀態能控性的定義339
8.12.3能控性的其他檢驗方法339
8.13線性系統的能觀性341
8.13.1能觀性的定義341
8.13.2能觀性的其他檢驗方法342
8.14能控性、能觀性和傳遞函數之間的關係342
8.15能控性和能觀性的不變性定理344
8.16案例研究：磁球懸浮系統345
8.17狀態反饋控制348
8.18通過狀態反饋進行極點配置349
8.19帶有積分控制的狀態反饋353
8.20 MATLAB工具箱和案例學習358
8.20.1狀態空間分析工具箱的使用和說明359
8.20.2 tfsym在狀態空間應用中的使用和說明361
8.21案例研究：LEGO MINDSTORMS機器臂系統的位置控制361
8.22小結366
參考文獻367
習題367

第9章根軌跡法386
9.1根軌蹟的基本性質387
9.2根軌蹟的性質詳解389
9.2.1 K=0和K=±∞的點389
9.2.2 RL的分支數390
9.2.3 RL的對稱性390
9.2 .4 RL的漸近線交角：｜s｜=∞處RL的行為391
9.2.5漸近線的交點（質心）392
9.2.6實軸上的RL395
9.2.7 RL的出射角和入射角395
9.2.8 RL與虛軸的交點398
9.2.9 RL的分離點（鞍點）398
9.2.10 RL在分離點處的入射角和出射角399
9.2.11 RL上K值的計算402
9.2.12小結402
9.3根靈敏度406
9.4根軌跡設計410
9.4.1在G(s)H(s)中增加零極點的影響410
9.4.2在G(s)H(s)中增加極點410
9.4.3在G (s)H(s)中增加零點412
9.5根軌跡族：多參數變化情形415
9.6 MATLAB工具箱421
9.7小結422
參考文獻423
習題423

第10章頻域分析430
10.1引言430
10.1.1閉環系統的頻率響應437
10.1.2頻域指標438
10.2二階系統的諧振峰值、諧振頻率和帶寬439
10.2.1諧振峰值和諧振頻率439
10.2.2帶寬440
10.3前向通道傳遞函數增加極點和零點的影響442
10.3.1前向通道傳遞函數增加零點的影響443
10.3.2前向通道傳遞函數增加極點的影響447
10.4 Nyquist穩定性判據：基本原理449
10.4.1穩定性問題449
10.4.2環繞和閉合的定義450
10.4.3環繞和閉合的次數451
10.4.4幅角原理451
10.4.5 Nyquist曲線455
10.4.6 Nyquist判據以及L(s)或G(s)H(s)圖455
10.5具有最小相位傳遞函數的系統的Nyquist判據456
10.6根軌跡和Nyquist圖的關係458
10.7示例：最小相位傳遞函數的Nyquist判據460
10.8增加的極點和零點對Nyquist圖的形狀的影響464
10.8.1在s=0處加入極點464
10.8.2增加有限個非零極點466
10.8.3增加零點466
10.9相對穩定性：增益裕量和相位裕量467
10.9.1增益裕量469
10.9.2非最小相位系統的增益裕量470
10.9.3相位裕量470
10.10用Bode圖進行穩定性分析472
10.11相對穩定性與Bode圖的幅值曲線的斜率之間的關係475
10.12用幅值-相位圖進行穩定性分析477
10.13幅值-相位圖中的定常M曲線：Nichols圖479
10.14 Nichols圖應用於非單位反饋系統484
10.15頻域中的靈敏度研究485
10.16 MATLAB工具和案例研究486
10.17小結487
參考文獻487
習題487

第11章控制系統設計499
11.1引言499
11.1.1設計要求499
11.1.2控制器結構500
11.1.3設計的基本原則502
11.2 PD控制器的設計503
11.2.1 PD控制的時域分析504
11.2.2 PD控制的頻域分析506
11.2.3 PD控制的作用總結506
11.3 PI控制器的設計521
11.3.1 PI控制的時域分析與設計523
11.3.2 PI控制的頻域分析與設計523
11.4 PID控制器的設計534
11.5相位超前和相位滯後控制器的設計538
11.5.1相位超前控制器的時域分析和設計539
11.5.2相位超前控制器的頻域分析和設計540
11.5.3相位超前控制的作用555
11.5.4單階相位超前控制的局限性556
11.5.5多階相位超前控制器556
11.5.6靈敏度考慮560
11.5.7相位滯後控制的時域解釋和設計561
11.5.8相位滯後控制的頻域解釋和設計562
11.5 .9相位滯後控制器的作用和局限性570
11.5.10超前-滯後控制器的設計571
11.6零極點對消設計：陷波濾波器572
11.6.1二階有源濾波器574
11.6.2頻域解釋和設計575
11.7前向和前饋控制器582
11.8魯棒控制系統的設計584
11.9局部反饋控制592
11.9.1速度反饋或轉速計反饋控制592
11.9.2含有源濾波器的局部反饋控制593
11.10 MATLAB工具和案例研究595
11.11控制實驗室604
參考文獻605
習題605
索引