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第1章 控制系统的基本概念1

1.1 引言1

1.2 开环控制系统与闭环控制系统2

1.2.1 开环控制系统2

1.2.2 闭环控制系统3

1.3 自动控制系统的组成4

1.3.1 基本组成部分4

1.3.2 自动控制系统中常用的名词术语5

1.4 自动控制系统的分类6

1.4.1 按输入信号的特点分类6

1.4.2 按描述系统的动态方程分类7

1.4.3 按系统的参数是否随时间而变化分类7

1.4.4 按信号的传递是否连续分类7

1.5 自动控制系统的应用实例8

1.5.1 炉温控制系统8

1.5.2 导弹发射架方位控制系统9

1.5.3 计算机控制系统10

1.6 自动控制理论发展简史10

1.7 对自动控制系统的基本要求12

习题14

第2章 自动控制系统的数学模型16

2.1 控制系统微分方程的建立17

2.1.1 机械系统17

2.1.2 电系统——RLC串联网络18

2.1.3 机电系统19

2.2 非线性系统微分方程的线性化20

2.2.1 小偏差线性化的概念20

2.2.2 非线性系统（元件）线性化处理举例21

2.2.3 系统线性化的条件及步骤23

2.3 传递函数24

2.3.1 传递函数的定义和性质24

2.3.2 用复数阻抗法求电网络的传递函数27

2.3.3 典型环节及其传递函数30

2.4 控制系统的结构图及其等效变换35

2.4.1 结构图的基本概念35

2.4.2 结构图的组成35

2.4.3 结构图的建立36

2.4.4 结构图的等效变换37

2.5 自动控制系统的传递函数43

2.5.1 系统的开环传递函数43

2.5.2 闭环系统的传递函数44

2.5.3 闭环系统的偏差传递函数45

2.6 信号流图46

2.6.1 信号流图的基本要素46

2.6.2 信号流图的常用术语46

2.6.3 信号流图的性质47

2.6.4 信号流图的等效变换法则47

2.6.5 梅逊（Mason）公式49

2.7 脉冲响应函数51

2.8 控制系统数学模型的MATLAB实现51

2.8.1 MATLAB简介51

2.8.2 控制系统的数学模型53

2.8.3 应用举例55

习题57

MATLAB实验61

第3章 控制系统的时域分析法63

3.1 典型输入信号和时域性能指标63

3.1.1 典型输入信号63

3.1.2 动态过程与稳态过程66

3.1.3 时域性能指标66

3.2 一阶系统的动态性能68

3.2.1 一阶系统的时域数学模型68

3.2.2 一阶系统的重要特性71

3.3 二阶系统的动态性能72

3.3.1 数学模型的标准式72

3.3.2 典型二阶系统的单位阶跃响应73

3.3.3 典型二阶系统动态性能指标76

3.3.4 二阶系统性能的改善80

3.4 高阶系统的动态性能83

3.4.1 三阶系统的单位阶跃响应83

3.4.2 高阶系统的数学模型84

3.4.3 高阶系统的单位阶跃响应85

3.4.4 高阶系统的分析方法86

3.5 稳定性和代数稳定判据87

3.5.1 稳定的概念88

3.5.2 线性定常系统稳定的充分必要条件88

3.5.3 劳斯稳定判据89

3.5.4 劳斯稳定判据的应用90

3.6 系统稳态误差分析94

3.6.1 误差与稳态误差的定义95

3.6.2 控制系统的型别96

3.6.3 给定输入下的稳态误差97

3.6.4 扰动作用下的稳态误差99

3.6.5 改善系统稳态精度的方法101

3.7 控制系统时域分析的MATLAB应用102

3.7.1 基于Toolbox工具箱的时域分析102

3.7.2 Simulink105

习题109

MATLAB实验111

第4章 根轨迹法113

4.1 根轨迹的基本概念113

4.1.1 根轨迹概念113

4.1.2 根轨迹方程115

4.2 绘制根轨迹图的基本规则116

4.3 控制系统根轨迹的绘制126

4.3.1 单回路负反馈系统的根轨迹127

4.3.2 参数根轨迹131

4.3.3 多回路系统的根轨迹133

4.3.4 正反馈系统的根轨迹135

4.3.5 滞后系统的根轨迹137

4.4 控制系统的根轨迹分析139

4.4.1 闭环零、极点和时间响应140

4.4.2 增加开环零、极点对根轨迹和系统性能的影响144

4.4.3 条件稳定系统的分析146

4.5 应用MATLAB绘制系统的根轨迹147

4.5.1 绘制根轨迹的相关函数147

4.5.2 利用MATLAB绘制系统的根轨迹147

习题150

MATLAB实验152

第5章 频率特性法154

5.1 频率特性的基本概念155

5.1.1 频率响应155

5.1.2 频率特性156

5.1.3 由传递函数求取频率特性158

5.1.4 常用频率特性曲线160

5.2 幅相频率特性及其绘制160

5.2.1 幅相频率特性曲线（奈氏图）基本概念160

5.2.2 典型环节的幅相频率特性161

5.2.3 开环奈氏图的绘制167

5.3 对数频率特性及其绘制173

5.3.1 对数频率特性曲线基本概念173

5.3.2 典型环节的伯德图175

5.3.3 开环伯德图的绘制183

5.3.4 最小相位系统186

5.3.5 由实测伯德图求传递函数187

5.4 奈奎斯特稳定判据189

5.4.1 幅角原理189

5.4.2 奈奎斯特稳定判据190

5.4.3 简化奈奎斯特稳定判据195

5.4.4 奈奎斯特稳定判据在伯德图上的应用198

5.4.5 奈奎斯特稳定判据的其他应用200

5.5 控制系统的相对稳定性201

5.5.1 幅值穿越频率ωc与相位穿越频率ωg202

5.5.2 相位裕量203

5.5.3 幅值裕量203

5.5.4 系统的稳定裕量204

5.6 利用开环频率特性分析系统的性能205

5.6.1 开环对数幅频特性L（ω）低频段与系统性能的关系205

5.6.2 开环对数幅频特性L（ω）中频段与系统动态性能的关系207

5.6.3 开环对数幅频特性L（ω）高频段与系统性能的关系213

5.7 闭环系统频率特性214

5.7.1 闭环频域指标214

5.7.2 闭环频率特性的求取216

5.7.3 闭环频域指标与时域指标的关系223

5.8 MATLAB在频率特性法中的应用225

5.8.1 奈氏图的绘制225

5.8.2 伯德图的绘制226

5.8.3 尼柯尔斯图的绘制228

习题229

MATLAB实验232

第6章 控制系统的校正234

6.1 控制系统校正的基本概念234

6.1.1 控制系统的性能指标234

6.1.2 校正的一般概念与基本方法235

6.1.3 频率法校正237

6.1.4 其他设计方法238

6.2 控制系统的基本控制规律238

6.2.1 基本控制规律238

6.2.2 比例-微分控制240

6.2.3 比例-积分控制241

6.2.4 比例-积分-微分控制242

6.3 超前校正装置及其参数的确定243

6.3.1 相位超前校正装置及其特性243

6.3.2 系统超前校正的分析法设计246

6.3.3 小结249

6.4 滞后校正装置及其参数的确定250

6.4.1 相位滞后校正装置及其特性250

6.4.2 串联滞后校正装置的分析法设计254

6.4.3 小结257

6.5 滞后-超前校正装置及其参数的确定257

6.5.1 相位滞后-超前校正装置及其特性257

6.5.2 系统滞后-超前校正的分析法设计260

6.5.3 小结263

6.6 期望对数频率特性设计法265

6.6.1 期望法设计的基本概念265

6.6.2 常见系统的期望特性266

6.6.3 应用实例269

6.6.4 小结273

6.7 基于根轨迹法的串联校正274

6.7.1 根轨迹法校正的基本概念274

6.7.2 利用根轨迹法设计超前校正装置276

6.7.3 利用根轨迹法设计滞后校正装置278

6.7.4 利用根轨迹法设计滞后-超前校正装置281

6.8 反馈校正装置及其参数的确定282

6.8.1 反馈校正的基本概念282

6.8.2 反馈校正的设计方法284

6.8.3 常用反馈校正形式与功能288

6.8.4 小结290

6.9 控制系统校正的MATLAB应用291

6.9.1 MATLAB函数在控制系统校正中的应用291

6.9.2 基于Simulink的系统校正293

习题295

MATLAB实验297

第7章 非线性控制系统298

7.1 非线性系统的基本概念298

7.1.1 非线性系统的数学描述298

7.1.2 非线性特性的分类299

7.1.3 非线性系统的特点302

7.1.4 非线性系统的分析和设计方法303

7.2 二阶线性和非线性系统的相平面分析303

7.2.1 相平面、相轨迹和平衡点303

7.2.2 二阶线性系统的特征305

7.2.3 二阶非线性系统的特征307

7.3 非线性系统的相平面分析310

7.3.1 绘制相轨迹的方法310

7.3.2 相轨迹求系统暂态响应314

7.3.3 相轨迹分析非线性系统315

7.4 非线性特性的一种线性近似表示——描述函数321

7.4.1 描述函数的意义322

7.4.2 典型非线性特性的描述函数323

7.4.3 非线性系统的描述函数分析330

7.5 非线性环节的串并联及系统的变换335

7.5.1 系统线性部分的变换与集中335

7.5.2 非线性环节串联的特性336

7.5.3 非线性环节并联的特性337

7.6 利用非线性特性改善线性系统的性能338

7.7 MATLAB在非线性控制系统中的应用341

7.7.1 利用MATLAB分析非线性系统的频率特性与时域响应341

7.7.2 利用MATLAB绘制非线性系统的相平面图343

习题344

MATLAB实验347

第8章 离散控制系统的分析和综合348

8.1 离散控制系统的基本概念348

8.1.1 离散控制系统的组成348

8.1.2 离散控制系统的特点351

8.1.3 离散控制系统的研究方法351

8.2 采样过程与采样定理351

8.2.1 采样过程351

8.2.2 采样定理354

8.2.3 零阶保持器355

8.3 z变换357

8.3.1 z变换的定义357

8.3.2 z变换的方法358

8.3.3 z变换的性质361

8.3.4 z反变换366

8.4 离散控制系统的数学模型371

8.4.1 脉冲传递函数371

8.4.2 开环系统的脉冲传递函数373

8.4.3 离散控制系统的闭环脉冲传递函数376

8.4.4 应用z变换分析离散系统的局限性与条件382

8.4.5 差分方程384

8.5 稳定性分析387

8.5.1 离散控制系统稳定的充分必要条件387

8.5.2 离散控制系统的劳斯稳定判据390

8.6 稳态误差分析392

8.6.1 离散系统的稳态误差392

8.6.2 离散系统的型别与典型输入信号作用下稳态误差393

8.7 离散系统的动态性能分析396

8.7.1 离散系统的时间响应397

8.7.2 闭环极点与动态响应的关系398

8.8 离散系统的数字校正401

8.8.1 数字控制器的脉冲传递函数402

8.8.2 最少拍系统设计405

8.9 MATLAB在离散控制系统中的应用409

8.9.1 利用Toolbox工具箱分析离散系统410

8.9.2 利用Simulink分析离散系统412

习题413

MATLAB实验416

附录A 经典控制理论常用词汇中英文对照表418

附录B 控制系统分析中的MATLAB常用函数423

附录C 拉普拉斯变换及有关性质427

参考文献430