控制理论与兵器应用

周奇郑，男，工学博士，海军工程大学兵器工程学院讲师，硕士研究生导师，荣立三等功1次。主要从事兵器控制技术研究，重点研究方向为兵器动力学与控制、水下结构低频振动与噪声控制研究。博士论文被评为首届中国兵工学会兵器科学与技术全国优秀博士学位论文，硕士论文被评为全军、海军优秀硕士学位论文。作为项目负责人主持国家青年科学基金项目"干摩擦结构声辐射系统动力学响应的半解析解研究”项目的研究。作为骨干研究成员参与国家自然科学基金面上项目、装备预先研究"十二五”项目、"十三五”项目、军内科研项目、学校教育教学改革项目等研究项目20余项。在国内外学术期刊上累计发表学术论文40余篇。

本书分别从现代兵器控制的一般概念、控制系统的数学模型、时域分析、根轨迹分析、频域特性分析、兵器反馈控制系统校正设计、内部描述的状态空间表达、状态反馈与状态观测器设计、最优控制、数字控制系统设计、鲁棒控制系统设计、非线性控制系统设计等诸多方面，系统介绍了现代兵器控制的基本概念、理论及其典型应用。书中的例子和习题大多取自控制实践中的实际问题，新颖且恰当。

目 录
第1章 绪论 1
1．1 控制理论的基本概念 1
1．2 控制理论的基本内容 4
1．3 控制系统的分类 6
1．4 对控制系统的要求 9
1．4．1 典型输入信号 9
1．4．2 控制系统的性能指标 11
1．5 控制理论的发展简史 13
1．6 控制理论在现代兵器中的应用及发展趋势 17
习题 18
第2章 控制系统的数学模型 20
2．1 控制系统数学模型的概念 20
2．2 控制系统的动态微分方程 22
2．2．1 典型元部件的微分方程 22
2．2．2 控制系统微分方程的建立 25
2．2．3 线性定常微分方程的求解 27
2．2．4 非线性微分方程的线性化 28
2．3 控制系统的传递函数 31
2．3．1 传递函数的基本概念 31
2．3．2 火炮随动系统的传递函数 33
2．4 控制系统的结构框图和信号流图 35
2．4．1 结构框图的基本概念 35
2．4．2 信号流图的基本概念 38
2．4．3 飞航导弹纵向控制系统的传递函数 40
2．4．4 控制系统的传递函数 43
2．5 基于Matlab编程建立舰炮随动跟踪系统数学模型 46
习题 53
第3章 控制系统的时域分析 56
3．1 控制系统的动态响应分析 56
3．1．1 控制系统的时域性能指标 57
3．1．2 低阶系统的动态响应分析 59
3．1．3 高阶系统的动态分析与降阶 70
3．2 控制系统的稳定性与稳态误差分析 74
3．2．1 稳定性的概念与稳定判据 74
3．2．2 控制系统的稳态误差 80
3．3 身管武器瞄控系统的时域性能分析 86
3．4 导弹横滚控制系统的分析与设计 88
3．4．1 横滚控制系统设计要求的分析 89
3．4．2 横滚控制系统的传递函数 90
3．4．3 控制器增益的选取 92
3．5 基于Matlab编程的导弹控制系统时域分析 95
3．5．1 导弹自动驾驶系统的稳定性分析 95
3．5．2 导弹舵回路动态特性 96
习题 98
第4章 控制系统的根轨迹分析 101
4．1 根轨迹法的概念和绘制 101
4．2 线性系统根轨迹分析方法 119
4．2．1 主导极点的概念 119
4．2．2 增加开环零极点对根轨迹的影响 122
4．3 舰载激光武器控制系统的根轨迹分析 123
4．4 用根轨迹法分析鱼雷航向控制系统 127
4．5 导弹末弹道速度控制系统设计 130
4．5．1 控制系统参数分析 131
4．5．2 控制器参数设计 131
习题 134
第5章 控制系统的频率特性分析 137
5．1 频率特性与频域稳定判据 137
5．1．1 频率特性的概念 137
5．1．2 典型环节的频率特性 140
5．1．3 频域稳定判据 157
5．2 控制系统的相对稳定性 163
5．2．1 相对稳定性 163
5．2．2 稳定裕度的求取方法 165
5．3 控制系统频率特性分析 168
5．3．1 开环频率特性分析 168
5．3．2 闭环系统的频域性能指标 170
5．4 导弹纵向控制系统的频率特性分析 176
5．4．1 俯仰角稳定回路频域特性分析 176
5．4．2 高度稳定回路频率特性分析 178
5．5 鱼雷纵倾控制系统的频率特性分析 180
习题 186
第6章 反馈控制系统校正设计 188
6．1 校正的基本概念与常用校正网络 188
6．1．1 校正的基本概念 189
6．1．2 常用校正网络及其特性 193
6．2 控制系统校正方法 200
6．2．1 串联校正 200
6．2．2 期望频率特性法校正 207
6．2．3 反馈校正 213
6．3 Matlab辅助鱼雷航向控制系统校正设计 215
6．4 身管武器瞄控系统的对数频率特性综合设计 220
6．4．1 系统动态性能分析 220
6．4．2 PID控制器设计 221
6．5 鱼雷横滚角稳定系统校正设计 223
6．5．1 鱼雷横滚特性及性能要求 223
6．5．2 具有阻尼回路的横滚稳定系统 225
6．5．3 具有超前校正网络的横滚稳定系统 227
6．5．4 设计超前校正网络 229
习题 231
第7章 控制系统的状态空间描述 234
7．1 状态空间和状态方程 234
7．1．1 状态空间描述的基本概念 234
7．1．2 状态空间模型的状态变量图描述 240
7．2 控制系统数学模型变换 243
7．2．1 状态向量的线性变换 243
7．2．2 系统数学模型的转换 249
7．2．3 系统的传递函数矩阵 262
7．3 线性系统动态分析 266
7．3．1 线性定常系统状态方程的解 266
7．3．2 线性时变系统状态方程的解 276
7．4 水下航行器的深度控制系统分析 280
7．4．1 深度控制系统的传递函数 281
7．4．2 稳定性分析 282
7．4．3 系统的响应特性分析 283
习题 285
第8章 控制系统的状态空间分析 287
8．1 线性系统能控性和能观测性的概念 287
8．2 线性定常连续系统能控性判据和能观测性判据 291
8．3 线性系统的结构分解 306
8．4 李雅普诺夫稳定性分析 316
8．4．1 李雅普诺夫意义下的稳定性问题 317
8．4．2 李雅普诺夫稳定性理论 320
习题 330
第9章 状态反馈与状态观测器设计 331
9．1 状态反馈与输出反馈 331
9．2 反馈控制对能控性与能观测性的影响 333
9．3 闭环系统极点配置 335
9．3．1 采用状态反馈配置闭环系统极点 336
9．3．2 采用线性非动态输出反馈至参考输入配置闭环系统极点 339
9．3．3 镇定问题 340
9．4 状态观测器 341
9．4．1 全维观测器的构造思想 341
9．4．2 闭环观测器极点配置 343
9．4．3 降维观测器 346
9．5 采用状态观测器的状态反馈系统 351
9．6 解耦控制 356
9．7 线性控制系统理论的工程应用举例 361
9．7．1 稳态精度与跟踪问题 361
9．7．2 倒立摆控制系统设计 363
9．7．3 基于状态空间综合法的鱼雷航向控制系统设计实例 368
习题 373
第10章 最优控制系统设计 375
10．1 最优控制的概念与数学描述 375
10．2 无约束最优控制的变分方法 379
10．2．1 古典变分法 379
10．2．2 具有二次型性能指标的线性调解器 381
10．2．3 具有二次型性能指标的线性伺服器 390
10．3 导弹制导中的二次型最优控制 394
10．4 极小值原理 397
10．5 航行器姿态控制系统的最小时间控制问题 400
10．6 导弹燃料消耗最少控制问题 407
习题 410
参考文献 411