現代控制工程（第五版）

《現代控制工程（第五版）》是2017年電子工業出版社出版的圖書，作者是（美）Katsuhiko Ogata（尾形克彥）。

基本介紹

• 中文名：現代控制工程（第五版）
• 作者：（美）Katsuhiko Ogata（尾形克彥）
• 譯者：盧伯英、佟明安
• 出版時間：2017年05月
• 出版社：電子工業出版社
• 頁數：684 頁
• ISBN：9787121314537
• 定價：119 元
• 開本：16 開

內容簡介

本書為自動控制系統的經典教材， 詳細介紹了連續控制系統（包括電氣系統、機械系統、流體動力系統和熱力系統）的數學模型建模方法， 動態系統的瞬態和穩態分析方法， 根軌跡分析和設計方法， 頻率域的分析和設計方法， 以及PID控制器和變形PID控制器的設計方法；同時還比較詳細地介紹了現代控制理論中的核心內容， 即狀態空間分析和設計方法。最後還簡要地介紹了20世紀80~90年代發展起來的稱為“後現代控制理論”的魯棒控制系統。全書自始至終貫穿了用MATLAB工具分析和設計各類控制系統問題。

目錄

第1章 控制系統簡介

1.1 引言

1.1.1 控制理論和實踐發展史的簡單回顧

1.1.2 定義

1.2 控制系統舉例

1.2.1 速度控制系統

1.2.2 溫度控制系統

1.2.3 業務系統

1.2.4 魯棒控制系統

1.3 閉環控制和開環控制

1.3.1 反饋控制系統

1.3.2 閉環控制系統

1.3.3 開環控制系統

1.3.4 閉環與開環控制系統的比較

1.4 控制系統的設計和校正

1.4.1 性能指標

1.4.2 系統的校正

1.4.3 設計步驟

1.5 本書概況

第2章 控制系統的數學模型

2.1 引言

2.1.1 數學模型

2.1.2 簡化性和精確性

2.1.3 線性系統

2.1.4 線性定常系統和線性時變系統

2.2 傳遞函式和脈衝回響函式

2.2.1 傳遞函式

2.2.2 傳遞函式的說明

2.2.3 卷積積分

2.2.4 脈衝回響函式

2.3 自動控制系統

2.3.1 方框圖

2.3.2 閉環系統的方框圖

2.3.3 開環傳遞函式和前向傳遞函式

2.3.4 閉環傳遞函式

2.3.5 用MATLAB求串聯、並聯和反饋（閉環）傳遞函式

2.3.6 自動控制器

2.3.7 工業控制器分類

2.3.8 雙位或開-關控制作用

2.3.9 比例控制作用

2.3.10 積分控制作用

2.3.11 比例-加-積分控制作用

2.3.12 比例-加-微分控制作用

2.3.13 比例-加-積分-加-微分控制作用

2.3.14 擾動作用下的閉環系統

2.3.15 畫方框圖的步驟

2.3.16 方框圖的簡化

2.4 狀態空間模型

2.4.1 現代控制理論

2.4.2 現代控制理論與傳統控制理論的比較

2.4.3 狀態

2.4.4 狀態變數

2.4.5 狀態向量

2.4.6 狀態空間

2.4.7 狀態空間方程

2.4.8 傳遞函式與狀態空間方程之間的關係

2.4.9 傳遞矩陣

2.5 純量微分方程系統的狀態空間表達式

2.5.1 線性微分方程作用函式中不包含導數項的n階系統的狀態空間表達式

2.5.2 線性微分方程作用函式中包含導數項的n階系統的狀態空間表達式

2.6 用MATLAB進行數學模型變換

2.6.1 由傳遞函式變換為狀態空間表達式

2.6.2 由狀態空間表達式變換為傳遞函式

2.7 非線性數學模型的線性化

2.7.1 非線性系統

2.7.2 非線性系統的線性化

2.7.3 非線性數學模型的線性近似

例題和解答

習題

第3章 機械系統和電系統的數學模型

3.1 引言

3.2 機械系統的數學模型

3.3 電系統的數學模型

3.3.1 LRC電路

3.3.2 串聯元件的傳遞函式

3.3.3 復阻抗

3.3.4 無負載效應串聯元件的傳遞函式

3.3.5 電子控制器

3.3.6 運算放大器

3.3.7 反相放大器

3.3.8 非反相放大器

3.3.9 求傳遞函式的阻抗法

3.3.10 利用運算放大器構成的超前或滯後網路

3.3.11 利用運算放大器構成的PID控制器

例題和解答

習題

第4章 流體系統和熱力系統的數學模型

4.1 引言

4.2 液位系統

4.2.1 液位系統的液阻和液容

4.2.2 液位系統

4.2.3 相互有影響的液位系統

4.3 氣動系統

4.3.1 氣動系統和液壓系統之間的比較

4.3.2 氣動系統

4.3.3 壓力系統的氣阻和氣容

4.3.4 壓力系統

4.3.5 氣動噴嘴-擋板放大器

4.3.6 氣動接續器

4.3.7 氣動比例控制器（力-距離型）

4.3.8 氣動比例控制器（力-平衡型）

4.3.9 氣動執行閥

4.3.10 獲得微分控制作用的基本原理

4.3.11 獲得氣動比例-加-積分控制作用的方法

4.3.12 獲得氣動比例-加-積分-加-微分控制作用的方法

4.4 液壓系統

4.4.1 液壓系統

4.4.2 液壓系統的優缺點

4.4.3 說明

4.4.4 液壓伺服系統

4.4.5 液壓積分控制器

4.4.6 液壓比例控制器

4.4.7 緩衝器

4.4.8 獲得液壓比例-加-積分控制作用的方法

4.4.9 獲得液壓比例-加-微分控制作用的方法

4.4.10 獲取液壓比例-加-積分-加-微分控制作用的方法

4.5 熱力系統

4.5.1 熱阻和熱容

4.5.2 熱力系統

例題和解答

習題

第5章 瞬態回響和穩態回響分析

5.1 引言

5.1.1 典型試驗信號

5.1.2 瞬態回響和穩態回響

5.1.3 絕對穩定性、相對穩定性和穩態誤差

5.2 一階系統

5.2.1 一階系統的單位階躍回響

5.2.2 一階系統的單位斜坡回響

5.2.3 一階系統的單位脈衝回響

5.2.4 線性定常系統的重要特性

5.3 二階系統

5.3.1 伺服系統

5.3.2 二階系統的階躍回響

5.3.3 瞬態回響指標的定義

5.3.4 關於瞬態回響指標的幾點說明

5.3.5 二階系統及其瞬態回響指標

5.3.6 帶速度反饋的伺服系統

5.3.7 二階系統的脈衝回響

5.4 高階系統

5.4.1 高階系統的瞬態回響

5.4.2 閉環主導極點

5.4.3 複平面上的穩定性分析

5.5 用MATLAB進行瞬態回響分析

5.5.1 引言

5.5.2 線性系統的MATLAB表示

5.5.3 在圖形螢幕上書寫文本

5.5.4 標準二階系統的MATLAB描述

5.5.5 求傳遞函式系統的單位階躍回響

5.5.6 用MATLAB繪製單位階躍回響曲線的三維圖

5.5.7 用MATLAB求上升時間、峰值時間、最大過調量和調整時間

5.5.8 脈衝回響

5.5.9 求脈衝回響的另一種方法

5.5.10 斜坡回響

5.5.11 在狀態空間中定義的系統的單位斜坡回響

5.5.12 求對任意輸入信號的回響

5.5.13 對初始條件的回響

5.5.14 對初始條件的回響（狀態空間法，情況1）

5.5.15 對初始條件的回響（狀態空間法，情況2）

5.5.16 利用命令Initial求對初始條件的回響

5.6 勞斯穩定判據

5.6.1 勞斯穩定判據簡介

5.6.2 特殊情況

5.6.3 相對穩定性分析

5.6.4 勞斯穩定判據在控制系統分析中的套用

5.7 積分和微分控制作用對系統性能的影響

5.7.1 積分控制作用

5.7.2 系統的比例控制

5.7.3 系統的積分控制

5.7.4 對轉矩擾動的回響（比例控制）

5.7.5 對轉矩擾動的回響（比例-加-積分控制）

5.7.6 微分控制作用

5.7.7 帶慣性負載系統的比例控制

5.7.8 帶慣性負載系統的比例-加-微分控制

5.7.9 二階系統的比例-加-微分控制

5.8 單位反饋控制系統中的穩態誤差

5.8.1 控制系統的分類

5.8.2 穩態誤差

5.8.3 靜態位置誤差常數Kp

5.8.4 靜態速度誤差常數Kv

5.8.5 靜態加速度誤差常數Ka

5.8.6 小結

例題和解答

習題

第6章 利用根軌跡法進行控制系統的分析和設計

6.1 引言

6.2 根軌跡圖

6.2.1 輻角和幅值條件

6.2.2 示例

6.2.3 根軌跡繪圖的一般規則

6.2.4 關於根軌跡圖的說明

6.2.5 G（s）的極點與H（s）的零點的抵消

6.2.6 典型的零-極點分布及其相應的根軌跡

6.2.7 小結

6.3 用MATLAB繪製根軌跡圖

6.3.1 用MATLAB繪製根軌跡圖

6.3.2 定常ζ軌跡和定常ωn軌跡

6.3.3 在根軌跡圖上繪製極格線

6.3.4 條件穩定系統

6.3.5 非最小相位系統

6.3.6 根軌跡與定常增益軌跡的正交性

6.3.7 求根軌跡上任意點的增益K值

6.4 正反饋系統的根軌跡圖

6.5 控制系統設計的根軌跡法

6.5.1 初步設計考慮

6.5.2 用根軌跡法進行設計

6．5．3 串聯校正和並聯（或反饋）校正

6．5．4 常用校正裝置

6.5.5 增加極點的影響

6.5.6 增加零點的影響

6.6 超前校正

6.6.1 超前校正裝置和滯後校正裝置

6.6.2 基於根軌跡法的超前校正方法

6.6.3 已校正與未校正系統階躍回響和斜坡回響的比較

6.7 滯後校正

6.7.1 採用運算放大器的電子滯後校正裝置

6.7.2 基於根軌跡法的滯後校正方法

6.7.3 用根軌跡法進行滯後校正設計的步驟

6.8 滯後-超前校正

6．8．1 利用運算放大器構成的電子滯後-超前校正裝置

6.8.2 基於根軌跡法的滯後-超前校正方法

6.9 並聯校正

6.9.1 並聯校正系統設計的基本原理

6.9.2 速度反饋系統

例題和解答

習題

第7章 用頻率回響法分析和設計控制系統

7.1 引言

7.1.1 求系統對正弦輸入信號的穩態輸出

7.1.2 用圖形表示頻率回響特性

7.2 伯德圖

7.2.1 伯德圖或對數坐標圖

7.2.2 G（jω）H（jω）的基本因子

7.2.3 增益K

7.2.4 積分和微分因子（jω）1

7.2.5 一階因子（1+jωT）1

7.2.6 二階因子[1+2 ζ（jω/ωn）+（jω/ωn）2]1

7.2.7 諧振頻率ωr和諧振峰值Mr

7.2.8 繪製伯德圖的一般步驟

7.2.9 最小相位系統和非最小相位系統

7.2.10 傳遞延遲

7.2.11 系統類型與對數幅值曲線之間的關係

7.2.12 靜態位置誤差常數的確定

7.2.13 靜態速度誤差常數的確定

7.2.14 靜態加速度誤差常數的確定

7.2.15 用MATLAB繪製伯德圖

7.2.16 繪製定義在狀態空間中的系統的伯德圖

7.3 極坐標圖

7.3.1 積分和微分因子（jω）1

7.3.2 一階因子（1+jωT）1

7.3.3 二階因子[1+2ζ（jω/ωn）+（jω/ωn）2]1

7.3.4 極坐標圖的一般形狀

7.3.5 用MATLAB繪製奈奎斯特圖

7.3.6 注意事項

7.3.7 繪製定義在狀態空間中的系統的奈奎斯特圖

7.4 對數幅-相圖

7.5 奈奎斯特穩定判據

7.5.1 預備知識

7.5.2 映射定理

7.5.3 映射定理在閉環系統穩定性分析中的套用

7.5.4 奈奎斯特穩定判據

7.5.5 關於奈奎斯特穩定判據的幾點說明

7.5.6 G（s）H（s）含有位於jω軸上的極點和（或）零點的特殊情況

7.6 穩定性分析

7.6.1 條件穩定系統

7.6.2 多迴路系統

7.6.3 套用於逆極坐標圖上的奈奎斯特穩定判據

7.7 相對穩定性分析

7.7.1 相對穩定性

7.7.2 通過保角變換進行相對穩定性分析

7.7.3 相位裕量和增益裕量

7.7.4 關於相位裕量和增益裕量的幾點說明

7.7.5 用MATLAB求增益裕量、相位裕量、相位交界頻率和增益交界頻率

7.7.6 諧振峰值幅值Mr和諧振峰值頻率ωr

7.7.7 標準二階系統中階躍瞬態回響與頻率回響之間的關係

7.7.8 一般系統中的階躍瞬態回響與頻率回響之間的關係

7.7.9 截止頻率和頻寬

7.7.10 剪下率

7.7.11 獲得諧振峰值、諧振頻率和頻寬的MATLAB方法

7.8 單位反饋系統的閉環頻率回響

7.8.1 閉環頻率回響

7.8.2 等幅值軌跡（M圓）

7.8.3 等相角軌跡（N圓）

7.8.4 尼柯爾斯圖

7.9 傳遞函式的實驗確定法

7.9.1 正弦信號產生器

7.9.2 由伯德圖求最小相位傳遞函式

7.9.3 非最小相位傳遞函式

7.9.4 關於實驗確定傳遞函式的幾點說明

7.10 利用頻率回響法設計控制系統

7.10.1 從開環頻率回響可以獲得的信息

7.10.2 對開環頻率回響的要求

7.10.3 超前、 滯後和滯後-超前校正的基本特性

7.11 超前校正

7.11.1 超前校正裝置特性

7.11.2 基於頻率回響法的超前校正

7.12 滯後校正

7.12.1 滯後校正裝置的特性

7.12.2 基於頻率回響法的滯後校正

7.12.3 關於滯後校正的一些說明

7.13 滯後-超前校正

7.13.1 滯後-超前校正裝置的特性

7.13.2 基於頻率回響法的滯後-超前校正

7.13.3 用頻率回響法設計控制系統小結

7.13.4 超前、滯後和滯後-超前校正的比較

7.13.5 圖形對比

7.13.6 反饋校正

7.13.7 不希望極點的抵消

7.13.8 不希望的共軛複數極點的抵消

7.13.9 結束語

例題和解答

習題

第8章 PID控制器和變形PID控制器

8.1 引言

8.2 PID控制器的齊格勒-尼柯爾斯調節法則

8.2.1 控制對象的PID控制

8.2.2 用來調整PID控制器的齊格勒-尼柯爾斯法則

8.2.3 第一種方法

8.2.4 第二種方法

8.2.5 說明

8.3 用頻率回響法設計PID控制器

8.4 利用計算最佳化方法設計PID控制器

8.5 PID控制方案的變形

8.5.1 PI-D控制

8.5.2 I-PD控制

8.5.3 二自由度PID控制

8.6 二自由度控制

8.7 改善回響特性的零點配置法

8.7.1 零點配置

8.7.2 對系統回響特性的要求

8.7.3 確定Gc2

例題和解答

習題

第9章 控制系統的狀態空間分析

9.1 引言

9.2 傳遞函式的狀態空間表達式

9.2.1 狀態空間標準形的表達式

9.2.2 n×n維矩陣A的特徵值

9.2.3 n×n維矩陣的對角化

9.2.4 特徵值的不變性

9.2.5 狀態變數組的非唯一性

9.3 用MATLAB進行系統模型變換

9.3.1 傳遞函式系統的狀態空間表達式

9.3.2 由狀態空間表達式到傳遞函式的變換

9.4 定常系統狀態方程的解

9.4.1 齊次狀態方程的解

9.4.2 矩陣指數

9.4.3 齊次狀態方程的拉普拉斯變換解法

9.4.4 狀態轉移矩陣

9.4.5 狀態轉移矩陣的性質

9.4.6 非齊次狀態方程的解

9.4.7 非齊次狀態方程的拉普拉斯變換解法

9.4.8 初始狀態為x（t0）的解

9.5 向量矩陣分析中的若干結果

9.5.1 凱萊-哈密頓定理

9.5.2 最小多項式

9.5.3 矩陣指數eAt

9.5.4 向量的線性無關

9.6 可控性

9.6.1 可控性和可觀測性

9.6.2 連續時間系統的狀態完全可控性

9.6.3 狀態完全可控性條件的另一種形式

9.6.4 在s平面上狀態完全可控的條件

9.6.5 輸出可控性

9.6.6 不可控系統

9.6.7 可穩定性

9.7 可觀測性

9.7.1 連續時間系統的完全可觀測性

9.7.2 在s平面上完全可觀測性的條件

9.7.3 完全可觀測性條件的另一種形式

9.7.4 對偶原理

9.7.5 可檢測性

例題和解答

習題

第10章 控制系統的狀態空間設計

10.1 引言

10.2 極點配置

10.2.1 極點配置設計

10.2.2 任意配置極點的充分必要條件

10.2.3 用變換矩陣T確定矩陣K

10.2.4 用直接代入法確定矩陣K

10.2.5 用阿克曼公式確定矩陣K

10.2.6 調節器系統和控制系統

10.2.7 選擇希望的閉環極點的位置

10.2.8 說明

10.3 用MATLAB解極點配置問題

10.4 伺服系統設計

10.4.1 當控制對象含有一個積分器時的I型伺服系統設計

10.4.2 當控制對象無積分器時的I型伺服系統設計

10.5 狀態觀測器

10.5.1 狀態觀測器原理

10.5.2 全階狀態觀測器

10.5.3 對偶問題

10.5.4 狀態觀測的充分必要條件

10.5.5 求狀態觀測器增益矩陣Ke的變換法

10.5.6 求狀態觀測器增益矩陣Ke的直接代入法

10.5.7 阿克曼公式

10.5.8 最佳Ke選擇的注釋

10.5.9 觀測器的引入對閉環系統的影響

10.5.10 基於觀測器的控制器傳遞函式

10.5.11 最小階觀測器

10.5.12 具有最小階觀測器的觀測-狀態反饋控制系統

10.5.13 用MATLAB確定觀測器增益矩陣Ke

10.5.14 基於最小階觀測器的控制器傳遞函式

10.6 帶觀測器的調節器系統設計

10.7 帶觀測器的控制系統設計

10.7.1 說明

10.7.2 狀態空間設計法結語

10.8 二次型最佳調節器系統

10.8.1 二次型最佳調節器問題

10.8.2 用MATLAB解二次型最佳調節器問題

10.8.3 結論

10.9 魯棒控制系統

10.9.1 控制對象的動態特性中的不確定因素

10.9.2 H∞範數

10.9.3 小增益定理

10.9.4 具有非結構不確定性的系統

10.9.5 由廣義控制對象圖求傳遞函式z（s）/w（s）

10.9.6 H無窮大控制問題

10.9.7 解魯棒控制問題

例題和解答

習題

附錄A 拉普拉斯變換表

附錄B 部分分式展開

附錄C 向量矩陣代數

參考文獻