控制系统分析与设计_PDF下载[54MB-百度云]廖晓钟，刘向东编著

节选

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第1章　控制系统导论
　　1.1 引言
自动控制是一种广泛应用于工业生产、农业生产、交通运输、航空、航天、航海、核能和国防建设等部门的技术。自动控制是在没有人直接参与或较少人参与的情况下，利用控制装置使机器、设备或生产过程等被控对象按照预定的规律自动地运行或变化。例如化工生产中要求反应塔的温度和压力自动维持恒定不变，防空系统中要求通过跟踪雷达和指挥仪使高炮自动地跟踪目标，无人驾驶飞机要求能按预定航迹自动飞行，载人飞船能够被发射到预定轨道并能准确回收，电子设备的电源部分要求输出电压稳定，数控机床加工中心要按照规定程序运行，电子设备的自动微调和自动跟踪等，所有这些都需要借助于自动控制来实现。
自动控制技术在航天器航行、导弹制导、飞机及舰船的驾驶系统等技术领域中具有特别重要的作用，是实现农业、工业和国防科学技术现代化的重要手段。从20世纪初以来，特别是从第二次世界大战以来，控制科学与控制技术得到了迅速发展。自动控制技术的广泛应用推动了现代工农业的巨大进步，提高了武器的精确度和威力，实现了航天器飞行、导弹制导等。在工业生产领域，自动控制技术使得生产设备不需要人的直接参与，而控制某些物理量按照指定的规律变化，进而大大提高了劳动生产率和产品质量。例如，往复式轧钢机在钢材往复两次通过轧辊的时间间隔里，一方面要使钢材停下、反向，把钢材拨正后送入轧辊；另一方面必须使轧辊停转、反向，并调整到正确的转速，迎接钢材，这些操作必须互相配合，快速完成。在人工操作时，难免由于配合得不紧密而造成钢材或轧辊等待，如果每一个轧辊多等待1秒，一台轧机一年就要少轧几万吨钢。再如，工业加热炉炉温通常应当维持在一定的数值，而要在经常变化的热负荷下维持炉温为某个数值，只允许很小的误差，很难靠人力凭经验调整燃料供给量，甚至造成燃料的浪费，或直接影响产品质量。在电力系统中，对于既定的输电线路，输电功率主要是受限制于输电的稳定性。……

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内容简介

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本书全面系统地介绍了控制系统的构成、分析、设计及调试方法。内容主要包括控制系统的组成和性能指标、控制系统的建模方法、稳定性与结构分析、综合与校正、伺服控制系统的静态和动态设计、伺服控制系统的非线性控制、典型控制系统实例分析和设计等。
　　本书一方面强调理论联系实际，在系统介绍控制系统设计理论方法的同时，注意结合典型工程实例来阐述控制系统分析与设计方法，例如控制系统的飞升曲线建模方法、控制系统工程综合方法、伺服控制系统的干摩擦及其改善措施、传动间隙对伺服系统的影响及其补偿、机械谐振对伺服系统的影响及其补偿等实际控制系统的典型问题及解决方法；另一方面注意反映学科*新研究成果，在系统介绍经典方法的同时，还介绍控制系统的非线性补偿、重复控制、滑模变结构控制、自抗扰控制等。
　　本书适用于高等学校自动化专业、电气工程及其自动化专业、机电一体化专业的高年级本科生专业选修课，可用于控制科学与工程学科的研究生选修课，也可作为相关专业本科生和研究生的参考书。可以根据不同专业需求选择教材中的相应内容组织教学，也可以采用讲授与自学相结合的方式组织教学。本书还可以作为从事科学研究与工程设计的人员设计、分析、调试控制系统的参考书。

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作者简介

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廖晓钟，工学博士，北京理工大学教授，博士生导师。主要从事电力电子技术与运动控制系统、能源变换控制技术的教学与研发工作。发表研究论文50多篇，主编出版专著和教材5部。

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第1章　控制系统导论　1.1　引言　1.2　自动控制系统的分类　　1.2.1　开环控制、闭环控制和复合控制　　1.2.2　恒值控制、程序控制和伺服控制　　1.2.3　数字控制系统　1.3　控制系统的组成　1.4　控制系统分析与设计步骤第2章　控制系统的数学模型　2.1　连续控制系统的数学模型　　2.1.1　控制系统的运动方程式　　2.1.2　非线性方程的线性化　　2.1.3　连续系统的传递函数　　2.1.4　控制系统的状态空间方程　2.2　离散控制系统的数学模型　　2.2.1　信号采样与保持　　2.2.2　离散系统的数学描述　2.3　控制系统的工程建模方法　　2.3.1　时域建模的飞升曲线法　　2.3.2　频域建模方法　　2.3.3　相关分析建模方法　习题第3章　控制系统的稳定性与结构分析　3.1　控制系统稳定性概念　　3.1.1　线性系统的稳定性——BIBO稳定性　　3.1.2　Lyapunov稳定性　3.2　控制系统的稳定性分析　　3.2.1　Lyapunov**法　　3.2.2　Lyapunov第二法——稳定性分析的直接法　　3.2.3　线性系统的Lyapunov稳定性分析　3.3　线性连续系统的稳定性判据　　3.3.1　Routh稳定判据　　3.3.2　Hurwitz稳定判据　　3.3.3　Nyquist稳定判据　3.4　控制系统的相对稳定性　　3.4.1　相对稳定性的定义　　3.4.2　稳定裕度的计算　3.5　控制系统的鲁棒稳定性　　3.5.1　鲁棒性的基本概念　　3.5.2　参数不确定系统的鲁棒稳定性　3.6　线性离散系统的稳定性分析　3.7　线性系统的结构分析——可控性和可观测性　　3.7.1　线性系统的可控性　　3.7.2　线性系统的可观测性　习题第4章　控制系统的综合与校正　4.1　控制系统的性能指标　　4.1.1　典型输入信号　　4.1.2　控制系统的稳态性能和系统的型别　　4.1.3　控制系统的时域性能指标　　4.1.4　控制系统的闭环频域指标　　4.1.5　控制系统的开环频域指标　4.2　基本校正方式和控制规律　　4.2.1　校正方式　　4.2.2　基本控制规律　　4.2.3　校正装置　4.3　串联校正　　4.3.1　串联超前校正　　4.3.2　串联滞后校正　　4.3.3　串联滞后�渤�前校正　4.4　期望频率特性校正法　　4.4.1　期望频率特性设计　　4.4.2　常用期望频率特性　　4.4.3　工程设计法　4.5　反馈校正　4.6　复合校正　4.7　数字控制器设计　　4.7.1　数字PID控制实现及其改进措施　　4.7.2　数字控制器的连续设计方法　　4.7.3　数字控制器的离散设计方法　习题第5章　伺服系统的工程实现　5.1　伺服系统组成及其分类　　5.1.1　伺服系统的组成　　5.1.2　伺服系统的分类　5.2　伺服电动机　5.3　伺服系统检测与信号转换　　5.3.1　伺服系统的位移检测　　5.3.2　伺服系统的信号转换电路　　5.3.3　自整角机/旋转变压器�彩�字转换器(SDC�睷DC)　　5.3.4　数字自整角机/旋转变压器转换器(DSC／DRC)　5.4　伺服系统的稳态设计　　5.4.1　负载分析计算　　5.4.2　执行电动机选择　　5.4.3　检测装置、信号转换线路、放大装置及电源设计与选择　　5.4.4　利用铭牌数据和经验公式推导伺服系统的传递函数　5.5　伺服系统的电磁兼容性　　5.5.1　电磁干扰模型分析　　5.5.2　抑制电磁干扰的方法　　5.5.3　伺服系统电磁兼容设计　5.6　伺服系统的可靠性　　5.6.1　可靠性特征量　　5.6.2　伺服系统的可靠性设计　习题第6章　伺服系统的非线性控制　6.1　伺服系统的干摩擦及其改善　　6.1.1　低速不平稳性　　6.1.2　减小低速跳动的措施　6.2　传动间隙对伺服系统的影响及其补偿　　6.2.1　传动间隙对伺服系统性能的影响　　6.2.2　消除间隙影响的措施　6.3　机械谐振对系统的影响及其补偿　　6.3.1　传动轴变形造成的机械谐振　　6.3.2　消除机械谐振的补偿措施　6.4　伺服系统的非线性补偿　　6.4.1　非线性速度阻尼　　6.4.2　非线性积分器和非线性PI调节器　　6.4.3　自抗扰控制　　6.4.4　多模控制技术　6.5　伺服系统的重复控制　　6.5.1　重复控制原理　　6.5.2　重复控制系统的稳定性　　6.5.3　重复控制器设计　6.6　伺服系统的滑模变结构控制　　6.6.1　滑模变结构控制原理　　6.6.2　二阶系统开关控制　　6.6.3　滑动模态　习题第7章　控制系统设计举例　7.1　永磁同步电机调速系统　　7.1.1　永磁同步电动机的结构　　7.1.2　永磁同步电机数学模型　　7.1.3　永磁同步电机矢量控制策略　　7.1.4　永磁同步电机调速系统设计　　7.1.5　基于TMS320LF2407A DSP的永磁同步电机调速系统　7.2　星载天线伺服控制系统　　7.2.1　星载天线负载特性分析与伺服电机选择　　7.2.2　星载天线伺服控制系统结构设计　　7.2.3　星载天线伺服系统控制器设计　　7.2.4　星载天线伺服系统的滑模变结构控制　7.3　火炮伺服系统　　7.3.1　火炮伺服系统的基本组成　　7.3.2　火炮伺服系统设计　7.4　飞行仿真头位跟踪视景伺服系统　　7.4.1　飞行仿真头位跟踪视景系统的结构　　7.4.2　飞行仿真伺服系统的原理以及硬件实现　　7.4.3　飞行仿真伺服系统设计　　7.4.4　控制程序设计参考文献