音像自动控制系统(原书0版)/国外与电气工程技术丛书

出版者的话
译者序
前言
章　绪论1
1.1　控制系统的基本组成部分1
1.2　控制系统应用举例2
1.2.1　智能交通系统2
1.2.2　汽车转向控制3
1..　汽车怠速控制3
1.2.4　太阳能收集器的太阳跟踪控制3
1.3　开环控制系统（无反馈系统）5
1.4　闭环控制系统（反馈控制系统）5
1.5　反馈的含义及其作用6
1.5.1　反馈对于总增益的影响6
1.5.2　反馈对于稳定的影响6
1.5.3　反馈对于外部干扰或噪声的作用7
1.6　反馈控制系统的类型8
1.7　线系统与非线系统
1.8　时不变与时变系统9
1.9　连续控制系统9
1.10　离散控制系统10
1.11　案例研究：基于LEGOMNSTORMS的智能车辆避障11
1.12　小结17
第2章　动态系统的建模18
2.1　简单机械系统的建模18
2.1.1　平移运动19
2.1.2　旋动22
2.1.3　平移和旋动之间的转换26
2.1.4　齿轮系28
2.1.5　齿隙和死区（非线特）29
2.2　简单电气系统的建模30
2.2.1　无源电气元件建模30
2.2.2　电气网络建模30
.　简单热系统和简单流体系统的建模33
..1　热系统的基本属34
..2　流体系统的基本属36
2.4　非线系统的线化42
2.5　类比44
2.6　案例研究：LEGO MNSTORMSNXT电动机—机械建模46
2.7　小结46
参考文献47
习题47
第3章　动态系统的微分方程求解58
3.1　微分方程介绍58
3.1.1　线常微分方程59
3.1.2　非线微分方程59
3.2　拉普拉斯变换60
3.2.1　拉普拉斯变换的定义60
3.2.2　拉普拉斯变换的重要定理61
3..　传递函数61
3.2.4　特征方程62
3.2.5　解析函数62
3.2.6　函数的极点62
3.2.7　函数的零点63
3.2.8　共轭复极点和零点64
3.2.9　终值定理65
3.3　部分分式展开的拉普拉斯逆变换65
3.4　拉普拉斯变换在线常微分方程求解中的应用71
3.4.1　一阶系统71
3.4.2　二阶系统73
3.4.3　二阶系统—进一步讨论80
3.5　线系统的脉冲响应和传递函数83
3.5.1　脉冲响应83
3.5.2　基于脉冲响应的时间响应84
3.5.3　传递函数（单输入单输出系统）85
3.6　系统的一阶微分方程：状态方程85
3.6.1　状态变量的定义88
3.6.2　输出方程89
3.7　线齐次状态方程的解92
3.7.1　传递函数（多变量系统）93
3.7.2　由状态方程到特征方程95
3.7.3　由传递函数到状态方程96
3.8　MATLAB案例研究99
3.9　线化回顾：状态空间方法104
3.10　小结108
参考文献108
习题109
第4章　控制框图和信号流图119
4.1　控制框图119
4.1.1　控制系统中典型元件的控制框图建模120
4.1.2　数学方程和控制框图的关系1
4.1.3　控制框图简化126
4.1.4　多输入系统的控制框图：特殊情况—扰动系统128
4.1.5　多变量系统的控制框图与传递函数129
4.2　信号流图131
4.2.1　信号流图代数132
4.2.2　信号流图术语的定义133
4..　信号流图的增益公式135
4.2.4　在输出节点与非输入节点间增益公式的应用139
4.2.5　简化增益公式140
4.3　状态图141
4.3.1　由微分方程到状态图141
4.3.2　由状态图到传递函数143
4.3.3　由状态图到状态和输出方程143
4.4　案例研究145
4.5　MATLAB工具箱155
4.6　小结158
参考文献158
习题158
第5章　线控制系统的稳定16
5.1　稳定介绍168
5.2　稳定判定方法171
5.3　Routh-Hurwitz判据171
5.3.1　Routh表格172
5.3.2　Routh表格提前终止时的特殊情形173
5.4　MATLAB工具和案例分析176
5.5　小结182
参考文献182
习题182
第6章　反馈控制系统的重要组成186
6.1　有源电气元件的建模：运算放大器188
6.1.1　理想运算放大器188
6.1.2　和与差188
6.1.3　一阶运算放大器的配置188
6.2　控制系统中的传感器和编码器191
6.2.1　电位计191
6.2.2　转速计194
6..　增量编码器195
6.3　控制系统中的直流电动机197
6.3.1　直流电动机的基本操作原理198
6.3.2　永磁直流电动机的基本分类198
6.3.3　永磁直流电动机的数学模型200
6.4　直流电动机的速度控制及位置控制203
6.4.1　速度响应、自感效应和扰动：开环响应203
6.4.2　直流电动机的速度控制：闭环响应206
6.4.3　位置控制207
6.5　案例研究208
6.5.1　案例1：太阳观测系统208
6.5.2　案例2：四分之一车辆悬挂系统210
6.6　虚拟实验室：LEGO MNSTORMSNXT电动机入门—建模和表征213
6.6.1　NXT电动机213
6.6.2　电气特213
6.6.3　机械特214
6.6.4　速度响应和模型验220
6.7　小结221
参考文献221
习题221
第7章　控制系统的时域分析4
7.1　连续时间系统的时间响应4
7.2　评价控制系统时间响应能的典型测试信号5
7.3　单位阶跃响应和时域描述
7.4　一阶系统的时间响应
7.5　二阶系统的暂态响应240
7.5.1　阻尼比和自然频率240
7.5.2　超调（0 < ζ < 1）244
7.5.3　迟间和上升时间（0 < ζ < 1）246
7.5.4　调节时间（5%和2%）247
7.5.5　暂态响应能指标总结250
7.6　稳态误差253
7.6.1　稳态误差的定义253
7.6.2　有干扰情况下的系统稳态误差259
7.6.3　控制系统的类型：单位反馈系统261
7.6.4　误差常数261
7.6.5　非线系统元件产生的稳态误差265
7.7　基础控制系统以及传递函数增加零极点带来的影响267
7.7.1　在前向通道传递函数中增加一个极点：单位反馈系统267
7.7.2　在闭环传递函数中增加一个极点269
7.7.3　在闭环传递函数中增加一个零点270
7.7.4　在前向通道传递函数中增加一个零点：单位反馈系统271
7.7.5　增加零极点：时域响应控制272
7.8　传递函数的零极点277
7.8.1　零极点影响的总结278
7.8.2　相对阻尼比279
7.8.3　稳态响应考虑下的次要极点忽略方法279
7.9　案例研究：定位控制系统的时域分析279
7.9.1　二阶系统：单位阶跃暂态响应281
7.9.2　二阶系统：单位阶跃稳态响应284
7.9.3　三阶系统的时间响应—电气时间常数不能忽略284
7.9.4　三阶系统：单位阶跃暂态响应284
7.9.5　三阶系统：单位阶跃稳态响应287
7.10　控制实验室：LEGO MNSTORMS NXT电动机介绍—位置控制287
7.11　小结291
参考文献292
习题292
第8章　状态空间分析与控制器设计305
8.1　状态变量分析305
8.2　控制框图、传递函数和状态控制框图305
8.2.1　传递函数（多变量系统）305
8.2.2　多变量系统的控制框图和传递函数306
8.3　一阶微分系统的状态方程308
8.3.1　状态变量的定义308
8.3.2　输出方程309
8.4　状态方程的向量-矩阵表示310
8.5　状态转移矩阵312
8.5.1　状态转移矩阵的意义313
8.5.2　状态转移矩阵的质313
8.6　状态转移方程314
8.7　状态方程与高阶微分方程之间的关系318
8.8　状态方程与传递函数之间的关系319
8.9　特征方程、特征值和特征向量321
8.9.1　由微分方程求特征方程322
8.9.2　由传递函数求特征方程322
8.9.3　由状态方程求特征方程322
8.9.4　特征值3
8.9.5　特征向量3
8.9.6　广义特征向量324
8.10　相似变换325
8.10.1　相似变换的不变特326
8.10.2　相似变换前后的特征方程、特征值和特征向量326
8.10.3　传递函数矩阵326
8.10.4　能控标准型326
8.10.5　能观标准型328
8.10.6　对角标准型329
8.10.7　Jordan标准型330
8.11　传递函数分解331
8.11.1　直接分解331
8.11.2　串级分解335
8.11.3　并行分解336
8.12　控制系统的能控337
8.12.1　能控的概念338
8.12.2　状态能控的定义339
8.1.　能控的检验方法339
8.13　线系统的能观341
8.13.1　能观的定义341
8.13.2　能观的检验方法342
8.14　能控、能观和传递函数之间的关系342
8.15　能控和能观的不变定理344
8.16　案例研究：磁球悬浮系统345
8.17　状态反馈控制348
8.18　通过状态反馈进行极点配置349
8.19　带有积分控制的状态反馈353
8.20　MATLAB工具箱和案例学习358
8.20.1　状态空间分析工具箱的使用和说明359
8.20.2　tfsym在状态空间应用中的使用和说明361
8.21　案例研究：LEGO MNSTORMS机器臂系统的位置控制361
8.22　小结366
参考文献367
习题367
第9章　根轨迹法386
9.1　根轨迹的基本质37
9.2　根轨迹的质详解389
9.2.1　K=0和K=±∞的点389
9.2.2　RL的分支数390
9..　RL的对称390
9.2.4　RL的渐近线交角：|s|=∞处RL的行为391
9.2.5　渐近线的交点（质心）392
9.2.6　实轴上的RL395
9.2.7　RL的出角和入角395
9.2.8　RL与虚轴的交点398
9.2.9　RL的分离点（鞍点）398
9.2.10　RL在分离点处的入角和出角399
9.2.11　RL上K值的计算402
9.2.12　小结402
9.3　根灵敏度406
9.4　根轨迹设计410
9.4.1　在G(s)H(s)中增加零极点的影响410
9.4.2　在G(s)H(s)中增加极点410
9.4.3　在G(s)H(s)中增加零点412
9.5　根轨迹族：多参数变化情形415
9.6　MATLAB工具箱421
9.7　小结422
参考文献4
习题4
0章　频域分析430
10.1　引言430
10.1.1　闭环系统的频率响应437
10.1.2　频域指标438
10.2　二阶系统的谐振峰值、谐振频率和带宽439
10.2.1　谐振峰值和谐振频率439
10.2.2　带宽440
10.3　前向通道传递函数增加极点和零点的影响442
10.3.1　前向通道传递函数增加零点的影响443
10.3.2　前向通道传递函数增加极点的影响447
10.4　Nyquist稳定判据：基本原理449
10.4.1　稳定问题449
10.4.2　环绕和闭合的定义450
10.4.3　环绕和闭合的次数451
10.4.4　幅角原理451
10.4.5　Nyquist曲线455
10.4.6　Nyquist判据以及L(s)或G(s)H(s)图455
10.5　具有相位传递函数的系统的Nyquist判据456
10.6　根轨迹和Nyquist图的关系458
10.7　示例：相位传递函数的Nyquist判据460
10.8　增加的极点和零点对Nyquist图的形状的影响464
10.8.1　在s=0处加入极点464
10.8.2　增加有限个非零极点466
10.8.3　增加零点466
10.9　相对稳定：增益裕量和相位裕量467
10.9.1　增益裕量469
10.9.2　非相位系统的增益裕量470
10.9.3　相位裕量470
10.10　用Bode图进行稳定分析472
10.11　相对稳定与Bode图的幅值曲线的斜率之间的关系475
10.12　用幅值-相位图进行稳定分析477
10.13　幅值-相位图中的定常M曲线：Nichols图479
10.14　Nichols图应用于非单位反馈系统484
10.15　频域中的灵敏度研究485
10.16　MATLAB工具和案例研究486
10.17　小结487
参考文献487
习题487
1章　控制系统设计499
11.1　引言499
11.1.1　设计要求499
11.1.2　控制器结构500
11.1.3　设计的基本原则502
11.2　PD控制器的设计503
11.2.1　PD控制的时域分析504
11.2.2　PD控制的频域分析506
11..　PD控制的作用总结506
11.3　PI控制器的设计521
11.3.1　PI控制的时域分析与设计5
11.3.2　PI控制的频域分析与设计5
11.4　P控制器的设计534
11.5　相位超前和相位滞后控制器的设计538
11.5.1　相位超前控制器的时域分析和设计539
11.5.2　相位超前控制器的频域分析和设计540
11.5.3　相位超前控制的作用555
11.5.4　单阶相位超前控制的局限556
11.5.5　多阶相位超前控制器556
11.5.6　灵敏度考虑560
11.5.7　相位滞后控制的时域解释和设计561
11.5.8　相位滞后控制的频域解释和设计562
11.5.9　相位滞后控制器的作用和局限570
11.5.10　超前-滞后控制器的设计571
11.6　零极点对消设计：陷波滤波器572
11.6.1　二阶有源滤波器574
11.6.2　频域解释和设计575
11.7　前向和前馈控制器582
11.8　鲁棒控制系统的设计584
11.9　局部反馈控制592
11.9.1　速度反馈或转速计反馈控制592
11.9.2　含有源滤波器的局部反馈控制593
11.10　MATLAB工具和案例研究595
11.11　控制实验室604
参考文献605
习题605
索引