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绪论1

第1部分 经典控制理论13

第1章 自动控制系统的基本概念13

1.1 引言13

1.2 开环控制系统与闭环控制系统14

1.2.1 基本概念14

1.2.2 自动控制系统结构框图15

1.2.3 开环控制系统与闭环控制系统17

1.3 对闭环控制系统的基本要求19

1.3.1 基本概念19

1.3.2 对控制系统的基本要求19

1.3.3 自动控制系统的类型21

习题23

第2章 自动控制系统的数学模型24

2.1 数学模型及建模的基本概念24

2.1.1 动态微分方程的编写25

2.1.2 非线性系统（数模）的线性化27

2.1.3 运动方程无量纲化27

2.1.4 典型系统微分方程的列写28

2.2 传递函数29

2.3 典型环节传递函数分析31

2.3.1 比例环节（放大环节）32

2.3.2 惯性环节32

2.3.3 积分环节33

2.3.4 微分环节34

2.3.5 振荡环节35

2.3.6 延迟环节36

2.4 环节的连接方式36

2.4.1 串联36

2.4.2 并联37

2.4.3 反馈37

习题39

第3章 控制系统的时域分析40

3.1 时域分析法介绍40

3.2 时域性能指标40

3.2.1 系统的动态和稳态性能指标41

3.2.2 典型输入信号41

3.2.3 脉冲响应函数42

3.3 一阶系统的动态响应42

3.3.1 单位阶跃响应43

3.3.2 单位斜坡响应43

3.3.3 单位脉冲响应43

3.3.4 单位阶跃、单位斜坡、单位脉冲响应的关系43

3.4 二阶系统的动态响应44

3.4.1 二阶系统的数学模型44

3.4.2 欠阻尼情况下二阶系统的动态性能指标的计算47

3.4.3 改善二阶系统性能的措施49

3.5 高阶系统的动态响应和简化分析49

3.6 自动控制系统的稳定性分析及代数判据50

3.6.1 稳定性的基本概念50

3.6.2 控制系统稳定的充分必要条件50

3.6.3 系统稳定性代数判据51

3.7 控制系统的稳态误差分析56

3.7.1 系统稳态误差的概念56

3.7.2 控制系统按开环结构中积分环节数分类59

3.7.3 给定值输入下的稳态误差计算59

3.7.4 扰动输入下稳态误差的计算63

习题64

第4章 控制系统的频域分析66

4.1 频率特性的基本概念66

4.1.1 频域分析法的基本思想66

4.1.2 频域分析法的特点66

4.1.3 频率特性的定义67

4.2 频率特性的表示方法68

4.2.1 频率特性的解析式方法68

4.2.2 频率特性的图示方法69

4.3 典型环节的频率特性70

4.3.1 比例环节70

4.3.2 积分环节71

4.3.3 微分环节72

4.3.4 惯性环节73

4.3.5 振荡环节74

4.3.6 延时环节76

4.4 控制系统的开环频率特性77

4.4.1 开环频率特性的极坐标图77

4.4.2 开环频率特性的对数频率特性图78

4.5 控制系统的稳定性分析79

4.5.1 奈奎斯特判据的优点79

4.5.2 奈奎斯特判据的理论依据79

4.5.3 奈奎斯特判据80

4.5.4 相对稳定性81

4.6 频域分析法中的系统性能指标83

4.6.1 静态性能指标在奈奎斯特曲线或伯德曲线上的呈现形式83

4.6.2 控制系统的动态频域指标83

4.6.3 频域指标的计算83

习题87

第5章 控制系统的校正方法88

5.1 校正的基本概念88

5.1.1 控制系统的校正及其思路88

5.1.2 设计指标89

5.1.3 控制系统设计的结构及特点89

5.1.4 系统校正的方法90

5.2 串联校正典型环节特性91

5.2.1 超前校正环节特性91

5.2.2 滞后校正环节特性91

5.2.3 滞后-超前校正环节特性92

5.3 用频域法设计串联校正环节92

5.3.1 希望的开环频率特性92

5.3.2 串联超前校正的一般步骤92

习题94

第2部分 现代控制理论95

第6章 系统描述95

6.1 状态空间表达式95

6.1.1 能控标准形96

6.1.2 能观测标准形97

6.1.3 对角线标准形98

6.1.4 Jordan标准形98

6.2 线性时不变系统的特征结构99

6.2.1 系统矩阵4的特征值99

6.2.2 n维系统矩阵的对角线化100

6.2.3 特征值的不变性102

6.2.4 状态变量组的非唯一性102

6.3 系统模型之间的相互变换103

6.3.1 传递函数系统的状态空间表达式103

6.3.2 由状态空间表达式到传递函数的变换104

习题106

第7章 线性多变量系统的运动分析108

7.1 线性系统状态方程的解108

7.2 状态转移矩阵的性质109

7.3 向量矩阵分析中的若干结果110

7.3.1 凯莱-哈密尔顿定理110

7.3.2 最小多项式111

7.4 矩阵指数函数eAt的计算111

7.4.1 方法一：直接计算法（矩阵指数函数）112

7.4.2 方法二：对角线标准形与Jordan标准形法112

7.4.3 方法三：拉氏变换法113

7.4.4 方法四：化eAt为A的有限项法114

习题116

第8章 Lyapuov稳定性分析117

8.1 引言117

8.2 Lyapunov意义下的稳定性问题117

8.2.1 平衡状态、给定运动与扰动方程的原点118

8.2.2 Lyapunov意义下的稳定性定义118

8.2.3 预备知识120

8.3 Lyapunov稳定性理论122

8.3.1 Lyapunov第一法122

8.3.2 Lyapunov第二法123

8.3.3 线性系统的稳定性与非线性系统的稳定性比较126

8.4 线性定常系统的Lapunov稳定性分析126

习题130

第9章 线性多变量系统的综合与设计132

9.1 引言132

9.1.1 问题的提法132

9.1.2 性能指标的类型133

9.1.3 研究综合问题的主要内容133

9.1.4 工程实现中的一些理论问题134

9.2 极点配置问题134

9.2.1 问题的提法134

9.2.2 可配置条件135

9.2.3 极点配置的算法138

9.2.4 低阶系统的极点配置问题139

习题139

第3部分 计算机控制系统140

第10章 计算机控制系统概述140

10.1 计算机控制系统的组成140

10.2 计算机控制系统的特点141

10.3 计算机控制系统的典型形式142

10.4 计算机控制系统的发展方式144

习题144

第11章 常规及复杂控制技术145

11.1 数字控制器的连续化设计技术145

11.2 PID控制148

11.2.1 PID控制算法148

11.2.2 数字PID控制算法的改进150

11.2.3 数字PID控制参数整定153

11.3 纯滞后系统控制155

11.3.1 大林算法156

11.3.2 史密斯预估算法158

11.4 最少拍控制160

11.4.1 史密斯预估算法160

11.4.2 最少拍控制器设计161

11.4.3 最少拍无纹波控制163

习题163

第12章 分散性测控网络技术165

12.1 分散控制系统165

12.2 现场总线控制系统167

12.3 计算机集成制造系统167

习题170

第13章 计算机控制系统的设计与实施171

13.1 计算机控制系统的设计原则171

13.2 计算机控制系统的设计步骤173

习题175

第4部分 无线传感器网络中的控制技术176

第14章 无线传感器网络中的控制技术176

14.1 无线传感器网络概述176

14.1.1 无线传感器网络体系结构176

14.1.2 无线传感器网络的特征177

14.2 无线传感器网络中的路由控制技术178

14.2.1 路由协议的分类179

14.2.2 能量感知路由协议180

14.2.3 基于查询的路由协议181

14.2.4 地理位置路由184

14.2.5 基于服务质量的路由协议186

14.3 无线传感器网络的链路层技术188

14.3.1 无线传感器网络MAC协议188

14.3.2 基于时分复用的MAC协议193

14.4 定位跟踪控制技术195

14.4.1 定位技术概述195

14.4.2 节点位置计算的常见方法195

14.4.3 定位算法分类197

14.5 目标跟踪控制208

14.6 覆盖控制212

14.6.1 虚拟势场力方法213

14.6.2 粒子群方法214

14.7 移动传感网动态建模和控制技术218

习题221

第5部分 网络控制系统222

第15章 网络控制系统222

15.1 网络控制系统概述222

15.2 网络控制系统概念和结构223

15.3 网络控制系统的时序226

15.3.1 采样速率分析226

15.3.2 延迟与抖动分析226

15.3.3 NCSs的节点驱动方式226

15.4 网络控制系统模型227

15.4.1 NCSs中的基本假设227

15.4.2 连续系统模型227

15.4.3 离散系统模型228

15.4.4 混合系统模型231

15.4.5 有数据包丢失时NCSs的模型231

15.4.6 时滞系统模型232

15.4.7 其他模型232

15.5 通信约束下的网络控制系统稳定性分析233

15.5.1 网络控制系统稳定的通信约束233

15.5.2 量化反馈系统的稳定性分析233

15.5.3 基于状态观测的量化反馈稳定性分析236

15.6 网络控制系统控制器设计238

15.6.1 控制器设计方法238

15.6.2 随机最优控制技术238

15.6.3 增广确定控制技术239

15.6.4 基于QoS的控制方法240

15.6.5 鲁棒控制方法240

15.6.6 其他控制方法241

习题241

参考文献242