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第一章 绪论1

1.1 引言1

1.2 自动控制和自动控制系统2

1.2.1 自动控制问题的提出2

1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件3

1.2.3 自动控制中的一些术语及方框图3

1.3 开环控制和闭环控制5

1.3.1 开环控制5

1.3.2 闭环控制7

1.3.3 开环与闭环控制系统的比较8

1.4 自动控制系统的分类及基本组成9

1.4.1 按给定信号的特征划分9

1.4.2 按系统的数学描述划分9

1.4.3 按信号传递的连续性划分11

1.4.4 按系统的输入与输出信号的数量划分12

1.4.5 自动控制系统的基本组成13

1.5 对控制系统的要求和分析设计14

1.5.1 对系统的要求14

1.5.2 控制系统的分析与设计16

1.6 自动控制理论的发展概况16

1.6.1 早期的自动控制工作16

1.6.2 经典控制理论17

1.6.3 现代控制理论18

1.7 例题精解19

学习指导与小结21

习题22

第二章 控制系统的数学模型25

2.1 引言25

2.1.1 系统数学模型的特点25

2.1.2 数学模型的类型26

2.1.3 系统数学模型的建模原则26

2.2 系统微分方程的建立26

2.2.1 列写微分方程式的一般步骤27

2.2.2 机械系统举例27

2.2.3 电路系统举例29

2.2.4 实际物理系统性微分方程的一般特征30

2.2.5 电枢控制直流电动机31

2.2.6 复杂系统微分方程的列写33

2.3 非线性数学模型线性化34

2.3.1 小偏差线性化的概念35

2.3.2 线性化的意义及常用方法35

2.3.3 系统线性化的条件及步骤38

2.3.4 关于线性化的几点说明40

2.4 线性系统的传递函数41

2.4.1 线性常系数微分方程的求解41

2.4.2 传递函数的定义和实际意义43

2.4.3 传递函数的性质及微观结构45

2.5 部分分式展开的MATLAB方法50

2.6 典型环节及其传递函数52

2.7 系统的结构图58

2.7.1 结构图的定义及基本组成59

2.7.2 结构图的绘制步骤60

2.7.3 结构图的基本连接形式61

2.7.4 结构图的等效变换64

2.7.5 结构图的简化65

2.8 信号流图及梅逊公式66

2.8.1 信号流图的基本概念67

2.8.2 信号流图的绘制方法69

2.8.3 梅逊增益公式71

2.9 例题精解75

学习指导与小结82

习题88

第三章线性系统的时域分析93

3.1 线性系统时间响应的性能指标93

3.1.1 典型输入信号93

3.1.2 控制系统的时域性能指标95

3.2 一阶系统的时域分析97

3.2.1 一阶系统的单位阶跃响应97

3.2.2 一阶系统的单位脉冲响应98

3.2.3 一阶系统的单位斜坡响应99

3.3 二阶系统的时域分析100

3.3.1 二阶系统的数学模型100

3.3.2 二阶系统的闭环极点101

3.3.3 二阶系统的单位阶跃响应102

3.3.4 欠阻尼二阶系统的动态性能指标计算105

3.3.5 二阶系统的单位脉冲响应109

3.3.6 二阶系统的单位斜坡响应111

3.3.7 二阶系统的性能的改善111

3.4 高级系统的时域分析115

3.4.1 高阶系统的阶跃响应115

3.4.2 闭环主导极点116

3.5 线性系统的稳定性分析117

3.5.1 稳定的概念和定义117

3.5.2 线性系统的稳定条件119

3.5.3 线性系统的代数稳定判据120

3.6 线性系统的误差分析124

3.6.1 误差的基本概念124

3.6.2 给定作用下的稳态误差计算126

3.6.3 扰动作用下的稳态误差计算128

3.6.4 提高系统控制精度的措施129

3.7 例题精解131

3.8 利用MATLAB进行时域分析142

3.8.1 系统的稳定性142

3.8.2 系统的动态特性分析143

3.8.3 系统单位阶跃响应的求法145

学习指导与小结146

习题148

第四章 概轨迹法151

4.1 根轨迹法的基本概念151

4.1.1 根轨迹151

4.1.2 根轨迹方程152

4.2 绘制系统根轨迹的基本法则154

4.2.1 绘制180度根轨迹的基本法则154

4.2.2 绘制0度轨迹的基本法则165

4.2.3 参变量系统的根轨迹167

4.2.4 非最小相位系统的根轨迹169

4.3 控制系统的根轨迹分析方法170

4.3.1 闭环零点和闭环极点的确定170

4.3.2 闭环零、极点的分布对系统性能的影响173

4.3.3 利用闭环主导极点估算系统的性能指标174

4.3.4 开歪零极点的分布对系统性能的影响175

4.4 例题精解177

4.5 利用MATLAB进行根轨迹分析189

学习指导与小结191

习题193

第五章 线性系统的频域分析法197

5.1 频率特性197

5.1.1 基本概念197

5.1.2 频率特性的定义199

5.1.3 频率特性的几何表示法200

5.2 典型环节的频率特性201

5.3 控制系统的开环频率特性208

5.3.1 开环极坐标图208

5.3.2 开环伯德图213

5.3.3 最小相位系统与非最小相位系数215

5.4 奈奎斯特稳定判据217

5.4.1 辅助函数F（s）217

5.4.2 控制系统的频域稳定性判据218

5.4.3 奈奎斯特判据（简称奈氏判据）219

5.4.4 伯德图上的稳定性判据224

5.5 稳定裕度226

5.6 闭环频率特性227

5.7 频率特性分析229

5.7.1 用开环频率特性分析系统的性能229

5.7.2 用闭环频率特性分析系统的动态性能232

5.7.3 开环频域指标与闭环频域指标的关系234

5.8 利用MATLAB绘制系统的频率特性图234

5.9 例题精解237

学习指导与小结246

习题247

第六章 控制系统的校正251

6.1 系统的设计及校正问题251

6.1.1 被控对象251

6.1.2 性能指标251

6.1.3 校正结构252

6.2 频率法串联校正253

6.2.1 串联超前校正254

6.2.2 串联迟后校正258

6.2.3 串联迟后一超前校正262

6.2.4 串联综合法校正262

6.3 频率法反馈校正264

6.3.1 反馈校正的原理264

6.3.2 反馈校正方法的其他应用267

6.4 控制系统的复合校正269

6.4.1 按扰动补偿的复合校正270

6.4.2 按输入补偿的复合校正271

6.5 例题精解273

学习指导与小结280

习题281

第七章 非线性系统284

7.1 典型非线性特性284

7.1.1 典型非线性特性的种类284

7.1.2 非线性系统的若干特征286

7.1.3 非线性系统的分析方法287

7.2 描述函数287

7.2.1 描述函数的定义287

7.2.2 描述函数的求法288

7.2.3 组合非线性特性的描述函数292

7.3 描述函数法293

7.3.1 非线性系统的稳定性分析293

7.3.2 自振荡的分析与计算294

7.4 相平面法297

7.4.1 相平面法的稳定性分析297

7.4.2 相平面图的绘制299

7.4.3 奇点和奇线301

7.5 非线性系统的相平面法分析305

7.5.1 用相平面法分析非线性系统305

7.5.2 由相平面图求取系统的时间解309

7.6 例题精解310

学习指导与小结320

习题321

第八章 离散控制系统325

8.1 引言325

8.1.1 离散系统的基本概念325

8.1.2 离散系统的定义及常用术语327

8.1.3 离散系统的特点328

8.2 采样过程和采样定理329

8.2.1 采样过程的数学描述329

8.2.2 采样信号频谱分析331

8.2.3 采样定理333

8.3 信号恢复335

8.3.1 零阶保持器336

8.3.2 一阶保持器338

8.4 z变换340

8.4.1 z变换的定义341

8.4.2 求z变换的方法342

8.4.3 z变换的性质346

8.4.4 z反变换352

8.5 离散系统的数学模型357

8.5.1 差分方程357

8.5.2 脉冲传递函数369

8.5.3 离散系统结构图等效变换373

8.5.4 z变换法的适用范围及推广382

8.6 离散系统的时域分析388

8.6.1 离散系统的稳定性388

8.6.2 离散系统的瞬态质量394

8.6.3 离散系统的稳态误差401

8.7 离散系统的数学校正405

8.7.1 数字控制器的脉冲传递函数405

8.7.2 最少拍系统及其设计407

8.8 例题精解421

学习指导与小结431

习题436

附录1拉普拉斯变换441

附录2 MATLAB简介447

参考文献452