自动控制系统(原书第10版)
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作者(加)法里德·高那菲,(美)本杰明·C.郭 著 李少远,邹媛媛 译
出版社机械工业出版社
ISBN9787111655770
出版时间2020-06
装帧平装
开本16开
定价149元
货号1202090267
上书时间2024-12-02
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目录
出版者的话
译者序
前言
第1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
1.2.3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反馈对于稳定性的影响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线性系统与非线性系统8
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LEGOMINDSTORMS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旋转运动22
2.1.3平移和旋转运动之间的转换26
2.1.4齿轮系28
2.1.5齿隙和死区（非线性特性）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
2.3简单热系统和简单流体系统的建模33
2.3.1热系统的基本属性34
2.3.2流体系统的基本属性36
2.4非线性系统的线性化42
2.5类比44
2.6案例研究：LEGOMINDSTORMSNXT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线性常微分方程59
3.1.2非线性微分方程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
3.2.3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拉普拉斯变换在线性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线性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线性齐次状态方程的解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
3.8MATLAB案例研究99
3.9线性化回顾：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123
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
4.2.3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
4.5MATLAB工具箱155
4.6小结158
参考文献158
习题158
第5章线性控制系统的稳定性168
5.1稳定性介绍168
5.2稳定性判定方法171
5.3Routh-Hurwitz判据171
5.3.1Routh表格172
5.3.2Routh表格提前终止时的特殊情形173
5.4MATLAB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
6.2.3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：LEGOMINDSTORMSNXT电动机入门—建模和表征213
6.6.1NXT电动机213
6.6.2电气特性213
6.6.3机械特性214
6.6.4速度响应和模型验证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234
7.1连续时间系统的时间响应234
7.2评价控制系统时间响应性能的典型测试信号235
7.3单位阶跃响应和时域描述236
7.4一阶系统的时间响应237
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最大超调（0<ζ<1）244
7.5.3延迟时间和上升时间（0<ζ<1）246
7.5.4调节时间（5%和2%）247
7.5.5暂态响应性能指标总结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非线性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传递函数的主导零极点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：LEGOMINDSTORMSNXT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状态转移矩阵的性质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323
8.9.5特征向量323
8.9.6广义特征向量324
8.10相似变换325
8.10.1相似变换的不变特性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
8.10.7Jordan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控制系统的能控性337
8.12.1能控性的概念338
8.12.2状态能控性的定义339
8.12.3能控性的其他检验方法339
8.13线性系统的能观性341
8.13.1能观性的定义341
8.13.2能观性的其他检验方法342
8.14能控性、能观性和传递函数之间的关系342
8.15能控性和能观性的不变性定理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
8.20MATLAB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
8.20.2tfsym在状态空间应用中的使用和说明361
8.21案例研究：LEGOMINDSTORMS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根轨迹的基本性质387
9.2根轨迹的性质详解389
9.2.1K=0和K=±∞的点389
9.2.2RL的分支数390
9.2.3RL的对称性390
9.2.4RL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
9.2.7RL的出射角和入射角395
9.2.8RL与虚轴的交点398
9.2.9RL的分离点（鞍点）398
9.2.10RL在分离点处的入射角和出射角399
9.2.11RL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
9.6MATLAB工具箱421
9.7小结422
参考文献423
习题423
第10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
10.4Nyquist稳定性判据：基本原理449
10.4.1稳定性问题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
10.4.5Nyquist曲线455
10.4.6Nyquist判据以及L(s)或G(s)H(s)图455
10.5具有最小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：最小相位传递函数的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非最小相位系统的增益裕量470
10.9.3相位裕量470
10.10用Bode图进行稳定性分析472
10.11相对稳定性与Bode图的幅值曲线的斜率之间的关系475
10.12用幅值-相位图进行稳定性分析477
……
内容摘要
本书一直被美国及全世界的上百所大学采用。全书内容更加条理化，并且引入了更多的计算机辅助工具。该书把控制理论、实际例子与计算机工具有机地结合在一起，用易于接受的方式，全面而又恰当地介绍了控制的内容。第10版提供了控制实验室的概念，它包括两类实验：SIMLab（模型模拟）和LEGOLab（物理实验中使用的乐高·机器人）。它使读者能用简单的方式处理控制系统的建模、分析、设计与模拟。
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