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第1章 反馈控制系统引论1

1.1 反馈控制系统的基本结构1

1.2 反馈控制理论的发展综述2

1.3 本书的结构3

1.4 计算机辅助工具MATLAB语言简介5

1.4.1 MATLAB语言引论5

1.4.2 标准MATLAB语句与函数5

1.4.3 MATLAB语言的图形功能6

1.4.4 MATLAB语言的联机帮助功能7

1.4.5 MATLAB工具箱介绍7

习题9

2.1 系统建模举例12

第2章 反馈控制系统的数学模型12

2.2 Laplace变换与传递函数模型13

2.3 其它数学模型的表示方法18

2.3.1 状态方程模型18

2.3.2 零极点模型22

2.4 相互连接框图的模型表示24

2.4.1 串联连接结构24

2.4.2 并联连接结构25

2.4.3 反馈连接结构26

2.4.4 更复杂的连接结构27

2.5 不同模型对象间的相互转换31

2.5.1 由LTI对象转换为传递函数32

2.5.2 将LTI对象转换成零极点模型33

2.5.3 系统的状态方程实现35

2.6 更复杂系统的模型处理方法44

2.6.1 Simulink建模方法44

2.6.2 非线性系统的线性化47

习题51

第3章 线性控制系统的性质55

3.1 线性系统的稳定性分析55

3.1.1 直接判定方法55

3.1.2 间接判定方法57

3.1.3 反馈控制系统的内部稳定性64

3.2 控制系统的可控性和可观测性分析67

3.2.1 系统的可控性分析67

3.2.2 系统的可观测性分析69

3.2.3 系统的可控性和可观测性Gram矩阵71

3.2.4 系统的可镇定性和可检测性分析72

3.3 线性系统的Kalman分解75

3.3.1 Kalman分解75

3.3.2 最小实现问题的再认识78

3.4 系统的时间矩量与Markov参数79

3.4.1 关于8=O展开-时间矩量80

3.4.2 关于8=∞展开-Markov参数81

3.5 反馈控制系统的鲁棒性分析82

3.5.1 信号与系统的范数测试82

3.5.2 计算H2范数的方法83

3.5.3 计算H∞范数的方法85

3.5.4 灵敏度和补灵敏度函数87

3.5.5 稳定性裕量分析88

习题91

第4章 线性系统的时域分析93

4.1 系统时域响应的解析解算法93

4.1.1 部分分式展开方法94

4.1.2 状态空间解法99

4.2 二阶系统的演示例子106

4.2.1 解析解研究106

4.2.2 不同参数下的系统响应比较107

4.2.3 脉冲响应分析109

4.3 线性系统的阶跃响应分析112

4.3.1 时域响应指标112

4.3.2 求取附跃响应的方法113

4.4 线性系统的脉冲响应分析122

4.5 任意输入下的时域响应分析126

4.5.1 利用MATLAB进行线性系统分析126

4.5.2 应用MATLAB语言分析非线性系统129

4.5.3 应用Simuliuk分析系统时域响应130

4.6 带有延迟的系统时域响应分析133

4.6.1 时间延迟涵数的Padé近似134

4.6.2 闭环系统的近似分析137

4.7 控制系统工具箱中的系统分析工具LTIView139

习题139

第5章 线性系统的复域与频域分析143

5.1 线性系统的根轨迹分析143

5.1.1 二阶系统的根轨迹分析144

5.1.3 绘制根轨迹的MATLAB工具147

5.1.2 根轨迹绘制原理147

5.1.4 主导极点的等ζ和等ωn线156

5.1.5 时间延迟系统的根轨迹158

5.1.6 基于根轨迹的系统设计工具RLTool159

5.2 线性系统的频域分析与Nyquist图160

5.2.1 频域分析入门160

5.2.2 Nyquist图的一般描述163

5.2.3 二阶系统的Nyquist图164

5.2.4 Nyquist图与稳定性定理166

5.2.5 常规Nquist图的非线性变换172

5.3 线性系统的闭环频域响应174

5.3.1 等M圆与等N圆174

5.3.2 频域响应的闭环特性175

5.4.2 二阶系统的Bode图178

5.4 线性系统的Bode图分析178

5.4.1 线性系统的Bode图178

5.4.3 Bode图的渐近线179

5.4.4 由Bode图判定系统稳定性180

5.4.5 应用MATLAB绘制Bode图180

5.5 Nichols曲线183

5.5.1 等M(ω)线和等α(ω)线183

5.5.2 Nichols曲线的系统分析方法184

5.6 系统频域分析的其它内容185

5.6.1 幅值裕量与相位裕量185

5.6.2 非最小相位系统的频域响应190

5.6.3 时间延迟系统的频域响应192

5.6.4 灵敏度函数的频域表示195

习题196

第6章 控制系统的经典设计技术199

6.1 串联超前滞后补偿器设计199

6.1.1 超前滞后校正入门199

6.1.2 由相位裕量设定的方法进行超前滞后校正208

6.2 线性二次型最优控制213

6.2.1 线性二次型最优控制策略213

6.2.2 线性二次型调节器问题214

6.2.3 加权矩阵选择217

6.2.4 观测器与观测器设计221

6.2.5 状态反馈与基于观测器的调节器与控制设计224

6.3 极点配置控制器设计228

6.3.1 极点配置算法228

6.3.2 部分极点配置问题231

6.3.3 应用极点配置技术设计观测器232

6.3.4 基于观测器的极点配置调节器与控制器234

6.4 模型跟踪控制236

6.4.1 不同指标下的标准模型格式236

6.4.2 模型跟踪控制器设计238

习题242

第7章 PID控制器设计245

7.1 PID控制器简介245

7.1.1 比例、积分、微分控制作用分析245

7.1.2 微分动作在反馈回路的PID控制248

7.2 Ziegler-Nichols整定公式250

7.2.1 Ziegler-Nichols整定经验公式250

7.2.2 微分动作在反馈回路中实现的控制253

7.2.3 带有时间延迟的一阶系统模型拟合255

7.2.4 改进的Ziegler-Nichols整定公式260

7.3 其他PID控制器的整定方法262

7.3.1 PID控制器的Chien-Hrones-Reswick整定算法262

7.3.2 Cohen-Coon整定公式265

7.3.3 精调的Ziegler-Nichols整定算法267

7.3.4 预测性PI整定算法268

7.4 高级PID整定方法271

7.4.1 幅值与相位裕量设定的算法271

7.4.2 内部模型控制器272

7.4.3 极点配置控制器整定275

7.5 最优PID控制器设计276

7.5.2 扰动抑制的PID控制器整定277

7.5.1 设定点最优PID控制器整定277

7.5.3 基于幅值和相位裕量设定的PID控制器设计280

7.5.4 改进的幅值相位方法281

7.6 PID控制的进一步内容282

7.6.1 积分器回绕与抗回绕PID控制器282

7.6.2 自整定PID控制器284

7.6.3 控制策略选择287

习题288

第8章 鲁棒控制系统设计290

8.1 线性二次型Gauss控制290

8.1.1 线性二次型Gauss问题290

8.1.2 使用MATLAB求解LQG问题291

8.1.3 带有回路传输恢复的LQG控制296

8.2.2 非结构化的不确定性304

8.2 鲁棒控制问题的一般描述304

8.2.1 小增益定理304

8.2.3 鲁棒控制结构305

8.2.4 MATLAB环境下的模型表示305

8.2.5 处理虚轴上的极点308

8.3 H∞控制器设计310

8.3.1 在加权函数下增广系统模型310

8.3.2 在MATLAB下进行加权模型增广312

8.3.3 加权灵敏度问题--一个简单的情况研究314

8.3.4 H∞控制器设计--一般问题考虑320

8.3.5 最优H∞控制器设计329

8.4 最优H2控制器设计332

8.5.1 特殊的H∞控制结构336

8.5 关于H∞控制器设计的其它问题336

8.5.2 H∞控制中加权涵数的影响338

8.5.3 灵敏度问题的加权函数选择343

习题346

参考文献349

附录 A Laplace变换的计算机求解351

A.1 基本Laplace变换表351

A.2 其它函数的导出变换351

A.3 计算机辅助Laplace变换求解353

A.3.1 应用Mathematiea软件进行Laplace变换353

A.3.2 使用MATLAB的符号运算工具箱进行Laplace变换356

习题359

B.1.1 CtrlLAB简介361

B.1 引言361

附录B 反馈系统分析与设计工具 CtrlLAB简介361

B.1.2 程序安装与系统要求362

B.1.3 CtrlLAB程序的运行362

B.1.4 CtrlLAB的版权与声明362

B.2 系统模型输入与转换363

B.2.1 传递函数模型输入363

B.2.2 其它模型表达式输入364

B.2.3 更复杂的系统模型的输入365

B.3 模型变换与降阶366

B.3.1 模型显示366

B.3.2 状态方程实现369

B.3.3 模型降阶369

B.4 控制系统分析370

B.4.1 控制系统的频域分析371

B.4.2 控制系统的时域响应分析372

B.4.3 系统特性分析375

B.5 系统设计的应用实例376

B.5.1 经典控制系统设计功能376

B.5.2 PID控制器设计377

B.5.3 鲁棒控制器设计379

B.6 基于图形界面的辅助工具382

B.6.1 矩阵处理程序382

B.6.2 图形处理程序386

习题390

附录C 作者编写的MATLAB函数清单392

索引403