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目录1

第1章　入门知识1

1.1　简介1

1.2　模型2

1.3　开环系统2

1.4　反馈控制3

反馈控制示例3

1.5　闭环系统的一般表示5

1.6　从模型的角度分析系统5

1.7　稳定系统与非稳定系统6

稳定系统和非稳定系统的示例7

1.8　控制工程师的作用8

1.9　小结9

1.11 复习题10

1.10　思考题10

第2章　动态系统的数学背景13

2.1　历史观点13

2.2　简介13

2.3　运算14

2.4　微分方程16

2.5　量纲一致18

2.6　拉普拉斯变换20

2.7　传递函数31

2.8　框图32

2.9 MATLAB/SIMULINK36

2.9.1　模拟计算机36

2.9.2　用SIMULINK解答微分方程40

2.9.3　用SIMULINK确定传递函数的输出42

2.9.4　不同的单位42

2.11　思考题43

2.12　复习题43

2.10　小结43

第3章　动态系统建模50

3.1　历史观点50

3.2　建模原则51

3.3　表示数学模型的方法54

3.4　教学建议56

3.5　物理元件建模56

3.5.1　类似点56

3.5.2　across和through变量56

3.5.3　分块元件和它们的基本方程57

3.6 电子系统58

3.7　流体系统——液压59

3.8　流体系统——气动62

3.9　机械式直线型系统63

3.11　热系统65

3.10　机械式旋转系统65

3.12　物理系统建模70

3.13　电子系统建模74

3.14　用SIMULINK获得用于分析或模拟的传递函数81

3.15　流体系统建模82

3.16 气动系统建模83

3.17　机械系统建模85

3.18　热系统建模89

3.19　混合系统建模90

3.20　小结92

3.21　思考题92

3.22　复习题92

第4章　反馈控制100

4.1　历史观点100

4.2　定义、模型和反馈控制101

4.3　系统的阶104

4.4 直流电机：开环和闭环系统的比较107

4.5　稳态误差分析112

4.6　确定全反馈控制中的稳态误差的过程116

4.7　扰动造成的误差117

4.8　总体误差119

4.9　非全反馈系统的稳态误差119

4.10　非线性119

4.11　小结120

4.12　思考题120

4.13　复习题120

第5章　稳定性和动态响应124

5.1 简介124

5.2　稳定性分析124

5.3　Routh标准125

5.5　思考题132

5.6　复习题132

5.4　小结132

第6章　时域性能特征135

6.1 简介135

6.2　极点位置135

6.3　扰动系统以调查系统特征135

6.4　一阶系统136

6.5　一阶系统对阶跃输入的响应136

6.6　用方波激励一阶系统138

6.7　Tr和BW及τ之间的关系139

6.8　二阶系统分类139

6.9　二阶系统对阶跃输入的响应141

6.10　主根145

6.11 小结146

6.12　思考题147

6.13　复习题147

7.1 历史154

7.2　简介154

第7章　根轨迹分析154

7.3　根轨迹基本理论155

7.4　GH（s）的正确表示法155

7.5　传递函数因式的图形表示法156

7.5.1 根的数量157

7.5.2　实轴上的根轨迹段158

7.5.3　根轨迹上的终点159

7.6　简单示例160

7.7　渐近线162

7.8　根轨迹与实轴相交163

7.9　渐近线形心165

7.10　轨迹与虚轴相交166

7.11 轨迹在复极点或0点的方向167

7.12　绘制轨迹167

7.13　在轨迹上定位根169

7.14　增益以外的参数的根轨迹170

7.15　通过根轨迹进行系统分析172

7.16　各种极点—0点排列的典型根轨迹集合173

7.17　使用MATLAB绘制根轨迹175

7.18　根轨迹绘制规则总结175

7.19　小结178

7.20　思考题178

7.21　复习题178

第8章　频率响应分析181

8.1　历史观点181

8.2　简介181

8.3　数学基础182

8.4　返回到OLTF的原始表示法182

8.5　对正弦信号输入的系统响应182

8.6　频率响应图的应用182

8.7　一阶系统响应184

8.8　二阶系统响应185

8.9　共振187

8.10　绘制Bode图188

8.10.1 建议用于幅度曲线的绘制过程（普通计算方法）193

8.10.2　更正渐近幅度曲线196

8.10.3　角曲线196

8.11　使用MATLAB获得Bode图198

8.12　柯西的辐角原理198

8.13　稳定性分析201

8.14　非最小相位系统205

8.15　相对稳定性（增益裕度和相位裕度）206

8.16　闭环频率响应207

8.17　来自Bode图的稳定性和相对稳定性208

8.18　使用MATLAB获得GM和PM209

8.19　使用MATLAB获得Nyquist图209

8.20 Nichols坐标和Nichols图209

8.22　各种方法的比较211

8.21　使用MATLAB生成Nichols图211

8.23　小结212

8.24 思考题212

8.25　复习题213

第9章　状态空间法简介218

9.1 历史观点218

9.2　简介218

9.3　矩阵基础218

9.4　动态系统表示法219

9.5 将微分方程转换为状态空间220

9.6 将传递函数转换为状态空间221

9.7　使用状态空间建模223

9.8　将SIMULINK框图转换为状态空间223

9.9　矩阵的秩225

9.10　一阶微分方程的合并226

9.11　使用MATLAB的变换过程227

9.12　其他控制领域228

9.13　小结229

9.14　思考题229

9.15　复习题229

第10章　控制系统的设计231

10.1　历史观点231

10.2　简介232

10.3　精度要求233

10.4　对动态行为的要求233

10.5　标准形式234

10.6 回路中补偿器的位置237

10.7　级联补偿的设计方法238

10.8　使用代数进行设计239

10.9　级联补偿的Bode图设计241

10.9.1 Bode图级联设计——超前补偿241

10.9.2　Bode图级联设计——滞后补偿249

10.10　反馈补偿的Bode设计254

10.11　反馈补偿的Bode设计的图形法256

10.12　超前补偿与滞后补偿的比较260

10.13　使用根轨迹进行设计260

10.14　分区262

10.15　极点布置265

10.16 使用状态变量进行极点布置267

10.17　参数平面268

10.18　PID控制器272

10.19 Ziegler-Nichols方法274

10.20 Ziegler-Nichols调整过程275

10.21　对设定点求微分的意义279

10.22　小结281

10.23　思考题281

10.24　复习题281

11.2　影响系统选择的因素284

11.3　示例实现平台284

11.1　简介284

第11章　用PLC硬件实现控制模式284

11.4　对各种实现控制任务的方法的比较286

11.5　PLC简介287

11.6　用PLC实现PID闭环控制291

11.6.1　基本的控制术语292

11.6.2　输入信号的类型和范围293

11.6.3　低通滤波293

11.6.4　模拟信号的内部表示294

11.6.5　综合的编程和监控环境297

11.6.6　调整参数303

11.6.7　输入303

11.6.8　输出303

11.9　复习题304

11.8　思考题304

11.7　小结304

11.6.9　PID调整参数的选择304

第12章　数字控制系统简介307

12.1　历史观点307

12.2　简介307

12.3　z变换308

12.4　使用z变换捕获差分方程310

12.5　零阶保持311

12.6　连续到离散的传递函数转换312

12.7 获得离散传递函数的后向规则法（直接代换）313

12.8　获得离散传递函数的后向规则法（使用变换）315

12.9　获得离散传递函数的拉普拉斯变换法317

12.10　其他近似方法319

12.11 使用MATLAB进行连续到离散的转换320

12.12　PID控制321

12.13　将连续设计转换为离散实现的过程321

12.16　复习题323

12.15　思考题323

12.14　小结323

第13章 实例研究：使用DC螺线管的位置控制系统325

13.1　简介325

13.2　过程概述325

13.3　问题定义325

13.4　驱动器的选择和实现326

13.5　测试327

13.6　建模327

13.7　螺线管驱动器的选择328

13.8　模型参数的确定和测量328

13.9　模拟329

13.10　控制器的选择（连续型设备）329

13.11 最初的控制器设计：比例反馈329

13.12　改进的设计：PD控制器329

13.13　用数字控制器实现329

13.14　小结329

13.15　思考题330

附录A　Tr、BW和τ之间关系的推导331

附录B　MATLAB基础333

B.1　有用的命令334

B.2　函数335

B.3　脚本文件336

B.4 函数文件337

B.5　绘制SIMULINK模拟结果339

附录C　用于渐进Bode幅度绘制的MATLAB函数asymbode.m340

C.1　程序清单340

C.2　应用342

附录D　Allen-Bradley的PID指令（Allen-Bradley公司惠赠）343

D.1　过程控制指令343

D.2 应用示例：PID调整360

附录E　DC螺线管的特征362

附录F　直流电机的制造厂家规格（经Bodline电气公司许可）365

附录G　开发你的创意组合的原则368