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第1章　概论1

1.1 自动控制理论的发展历史1

1.2　自动控制系统的基本控制方式3

1.3　控制系统的分类5

1.4　控制系统的组成与对控制系统的基本要求7

1.4.1　控制系统的组成7

1.4.2　自动控制系统的基本要求8

习题9

第2章　控制系统的数学模型11

2.1　控制系统的运动方程式11

2.2　传递函数16

2.2.1　传递函数的定义及性质16

2.2.2　系统典型联接时等效传递函数的求取20

2.2.3　控制系统的传递函数22

2.3　控制系统的方框图及其简化24

2.3.1　方框图的构成24

2.3.2　方框图的绘制25

2.3.3　方框图的简化26

2.4　信号流图32

2.4.1　信号流图中的术语32

2.4.2　信号流图的性质33

2.4.3　信号流图的运算法则33

2.4.4　控制系统的信号流图35

2.4.5　梅森增益公式36

2.5.1　理想单位脉冲函数的定义及性质40

2.5　脉冲响应40

2.5.2　脉冲响应函数与系统传递函数的关系41

2.6　非线性运动方程的线性化42

2.6.1　小偏差线性化的基本概念43

2.6.2　小偏差线性化的举例44

2.7　应用Matlab建立控制系统的数学模型48

2.7.1　系统的数学模型建立48

2.7.2　系统的连接49

2.7.3　模型的转换51

习题51

第3章　线性系统的时域分析55

3.1　典型输入信号55

3.2　一阶系统的时域分析57

3.2.1　单位阶跃函数作用下一阶系统的响应过程58

3.2.2　理想单位脉冲函数作用下一阶系统的响应过程59

3.2.3　单位速度函数作用下一阶系统的响应过程60

3.2.4　单位加速度函数作用下一阶系统的响应过程60

3.3　二阶系统的时域分析61

3.3.1　二阶系统的标准形式61

3.3.2　二阶系统的单位阶跃响应63

3.3.3　二阶系统欠阻尼响应过程分析67

3.3.4　二阶系统欠阻尼响应的计算举例71

3.3.5　二阶系统的脉冲响应73

3.3.6　二阶系统的单位斜坡响应75

3.3.7　具有闭环负实零点时二阶系统的单位阶跃响应76

3.3.8　初始条件不为零时二阶系统的响应过程79

3.4　高阶系统的时域分析81

3.4.1　闭环主导极点81

3.4.2　三阶系统的单位阶跃响应84

3.5　线性系统的稳定性与稳定判据85

3.5.1　稳定的概念和定义85

3.5.2　线性系统稳定的条件86

3.5.3　稳定判据88

3.6　反馈系统的稳态误差92

3.6.1　反馈系统的误差与偏差92

3.6.2　反馈系统的稳态误差及其计算94

3.6.3　消除系统稳态误差的措施102

3.7　顺馈控制的误差分析105

3.7.1　应用顺馈补偿扰动信号对系统输出的影响105

3.7.2　应用顺馈减小系统响应参考输入信号的误差107

3.8　基于Matlab的控制系统的时域分析109

3.8.1　线性系统的阶跃响应109

3.8.2　控制系统的性能指标计算111

3.8.3　线性系统的单位脉冲响应112

3.8.4　线性系统的任意输入响应113

3.8.5　线性系统的稳定性分析114

习题114

4.1　根轨迹的概念118

4.1.1　根轨迹举例118

第4章　根轨迹法118

4.1.2　根轨迹方程119

4.2　绘制根轨迹的基本规则122

4.2.1　绘制180°根轨迹的基本规则122

4.2.2　绘制0°根轨迹的基本规则131

4.2.3　绘制根轨迹应注意的问题133

4.3　控制系统的根轨迹分析134

4.3.1　最小相位系统的根轨迹分析134

4.3.2　非最小相位系统的根轨迹分析139

4.3.3　参量根轨迹141

4.4.3　计算给定一组特征根的根轨迹增益ki146

4.4.2　绘制系统的根轨迹图146

4.4.1　绘制系统的开环零极点图146

4.4　用Matlab绘制根轨迹图146

4.4.4　根轨迹设计工具rltool148

习题149

第5章　线性系统的频域分析152

5.1　频率响应及其描述152

5.1.1　系统对正弦输入信号的稳态输出152

5.1.2　频率响应和频率特性154

5.1.3　频率特性的图形描述155

5.2　开环系统的幅相频率特性156

5.2.1　典型环节157

5.2.2　典型环节的奈氏图158

5.2.3　开环系统的奈氏图162

5.3.1　对数频率特性图的基本概念166

5.3　开环系统的对数频率特性166

5.3.2　典型环节的伯德图168

5.3.3　开环系统的伯德图173

5.3.4　最小相位系统和非最小相位系统175

5.4　频域稳定性分析179

5.4.1　奈氏稳定判据180

5.4.2　控制系统的相对稳定性187

5.5　频率指标与时域指标的关系191

5.5.1　闭环系统的频率特性191

5.5.2　控制系统的性能指标192

5.5.3　二阶系统的时域动态性能指标和频域性能指标的关系192

5.5.4　高阶系统的时域动态性能指标和频域性能指标的关系195

5.5.5　系统的稳态性能指标和系统对数幅频特性的关系196

5.6　Matlab在频域分析中的应用197

5.6.1　绘制系统的奈氏图197

5.6.2　绘制系统的伯德图198

5.6.3　相对稳定性198

习题199

第6章　控制系统的综合与校正204

6.1　线性系统校正的概念204

6.1.1　控制系统的校正方式及校正方法204

6.1.2　输入信号与控制系统带宽206

6.2　超前校正参数的确定208

6.2.1　超前校正控制器的特性208

6.2.2　伯德图法设计超前校正控制器210

6.2.3　超前校正的特点和适用范围213

6.3.1　迟后校正控制器的特性214

6.3.2　伯德图法设计迟后校正控制器214

6.3　迟后校正参数的确定214

6.3.3　迟后校正的特点和适用范围性217

6.4　迟后-超前校正参数的确定218

6.4.1　迟后-超前校正控制器的特性218

6.4.2　伯德图法设计迟后-超前校正控制器219

6.4.3　迟后-超前校正的特点和适用范围222

6.5　期望频率特性校正参数的确定222

6.5.1　基本概念222

6.5.2　期望特性校正举例225

6.5.3　期望特性校正方法的特点228

6.6.1　反馈校正的功能229

6.6　反馈校正参数的确定229

6.6.2　反馈校正参数的确定232

6.6.3　反馈校正与串联校正的比较237

6.7　PID控制规律分析237

6.7.1　比例控制规律分析237

6.7.2　比例-微分控制规律分析238

6.7.3　比例-积分控制规律分析238

6.7.4　比例-积分-微分控制规律分析239

6.7.5　PID控制器设计实际应用举例241

6.8　基于Matlab的控制系统设计245

习题247

7.1.1　非线性系统的数学描述251

第7章　非线性控制系统分析251

7.1　非线性系统的数学描述251

7.1.2　典型非线性特性252

7.1.3　非线性控制系统的特点和分析方法255

7.2　描述函数法256

7.2.1　谐波线性化256

7.2.2　典型非线性特性的描述函数258

7.2.3　非线性控制系统的描述函数分析263

7.3　相平面法268

7.3.1　线性系统的相轨迹269

7.3.2　相轨迹的绘制271

7.3.3　非线性系统的相平面分析276

7.4　利用非线性特性改善控制系统的性能283

7.5　Simulink在非线性控制系统中的应用285

习题287

第8章　线性离散系统的分析与综合290

8.1　采样过程与信号保持290

8.1.1　采样过程291

8.1.2　采样定理293

8.1.3　信号保持296

8.2　Z变换298

8.2.1　Z变换的定义298

8.2.2　Z变换的计算方法298

8.2.3　Z变换的基本性质301

8.2.4　Z反变换302

8.3.1　脉冲传递函数305

8.3　脉冲传递函数305

8.3.2　开环系统的脉冲传递函数307

8.3.3　闭环系统的脉冲传递函数310

8.4　线性离散系统的稳定性分析313

8.4.1　s平面与z平面的映射关系313

8.4.2　线性离散控制系统稳定的充要条件314

8.4.3　推广的劳斯稳定判据315

8.5　线性离散系统的时域分析318

8.5.1 z平面上极点的位置与系统的时间响应318

8.5.2　线性离散系统的时域响应过程320

8.5.3　线性离散系统的稳态误差321

8.6.1　直接数字控制器设计方法325

8.6　线性离散系统的综合325

8.6.2　数字控制系统的连续化设计方法334

8.7　Matlab在离散系统中的应用335

8.7.1　连续系统的离散化335

8.7.2　离散系统的数学描述336

8.7.3　离散系统的仿真336

习题338

参考文献343

附录A　拉普拉斯变换表344

附录B　Z变换表345

附录C　控制系统工具箱346

附录D　Simulink仿真系统模块库348