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第1章 自动控制的基本概念1

1.1引言1

1.2自动控制的基本知识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4

1.3自动控制系统的基本控制方式5

1.3.1开环控制5

1.3.2闭环控制7

1.3.3开环系统与闭环系统的比较8

1.4自动控制系统的分类及基本组成9

1.4.1按给定信号的特征分类9

1.4.2按系统的数学描述分类10

1.4.3按信号传递的连续性分类11

1.4.4按系统的输入与输出信号的数量分类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17

1.6.1早期的自动控制工作17

1.6.2经典控制理论17

1.6.3现代控制理论19

1.7例题精解19

学习指导与小结21

习题23

第2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28

2.2.4实际物理系统线性微分方程的一般特征29

2.2.5电枢控制直流电动机30

2.3线性系统的传递函数32

2.3.1线性常系数微分方程的求解32

2.3.2传递函数的定义和实际意义34

2.3.3传递函数的性质及微观结构36

2.4典型环节及其传递函数42

2.5系统的结构图48

2.5.1结构图的定义及基本组成48

2.5.2结构图的绘制步骤50

2.5.3结构图的基本连接形式53

2.5.4结构图的等效变换56

2.5.5结构图的简化56

2.6信号流图及梅逊公式60

2.6.1信号流图的基本概念60

2.6.2信号流图的绘制方法62

2.6.3梅逊增益公式64

2.7例题精解68

学习指导与小结76

习题78

第3章 时域分析法83

3.1典型输入信号和时域性能指标83

3.1.1典型输入信号83

3.1.2阶跃响应性能指标86

3.2一阶系统时域分析87

3.2.1一阶系统的单位阶跃响应87

3.2.2一阶系统的单位脉冲响应89

3.2.3一阶系统的单位斜坡响应89

3.3典型二阶系统时域分析90

3.3.1典型二阶系统的单位阶跃响应90

3.3.2欠阻尼二阶系统暂态性能指标估算96

3.3.3过阻尼二阶系统暂态性能指标估算98

3.3.4二阶系统的单位脉冲响应100

3.3.5二阶系统的单位斜坡响应101

3.4高阶系统分析102

3.4.1高阶系统的单位阶跃响应102

3.4.2闭环零、极点对系统性能的影响103

3.4.3闭环主导极点103

3.5控制系统的稳定性分析105

3.5.1稳定性的概念及线性系统稳定的充要条件105

3.5.2劳斯稳定判据107

3.5.3两种特殊情况108

3.5.4劳斯稳定判据在系统分析中的应用110

3.6控制系统的稳态误差分析112

3.6.1稳态误差的定义及一般计算公式112

3.6.2控制系统的类型114

3.6.3给定信号作用下的稳态误差分析114

3.6.4扰动信号作用下的稳态误差分析118

3.7 PID基本控制作用对系统性能的影响120

3.7.1比例（P）控制120

3.7.2比例加微分（PD）控制122

3.7.3积分（1）控制129

3.7.4比例加积分（PI）控制130

3.7.5比例加积分加微分（PID）控制134

3.8例题精解136

学习指导与小结147

习题150

第4章 根轨迹法153

4.1根轨迹153

4.1.1根轨迹的基本概念153

4.1.2根轨迹与系统性能154

4.1.3根轨迹方程155

4.2绘制根轨迹的基本法则157

4.2.1绘制根轨迹的基本法则157

4.2.2闭环极点的确定165

4.3广义根轨迹166

4.3.1零度根轨迹166

4.3.2参变量根轨迹168

4.3.3增加开环零极点对根轨迹的影响170

4.4例题精解171

学习指导与小结179

习题180

第5章 线性系统的频域分析法182

5.1频率特性182

5.1.1基本概念182

5.1.2频率特性的定义184

5.1.3频率特性的几何表示法185

5.2典型环节的频率特性186

5.3控制系统的开环频率特性194

5.3.1开环极坐标图194

5.3.2开环伯德图198

5.3.3最小相位系统与非最小相位系统199

5.4奈奎斯特稳定判据201

5.4.1辅助函数201

5.4.2幅角原理202

5.4.3奈氏判据203

5.4.4伯德图上的稳定性判据210

5.5开环频域指标211

5.5.1稳定裕度211

5.5.2开环频域指标与时域性能指标的关系214

5.5.3三频段与系统性能217

5.6闭环频率特性218

5.6.1闭环频率特性218

5.6.2闭环频域指标与时域性能指标的关系219

5.6.3闭环频域指标与开环频域指标的关系220

5.7例题精解221

学习指导与小结228

习题229

第6章 控制系统的校正233

6.1校正的基本概念233

6.1.1校正的定义233

6.1.2校正方式234

6.1.3设计方法235

6.2典型校正装置236

6.2.1典型无源超前校正网络236

6.2.2典型无源滞后校正网络237

6.2.3典型无源滞后—超前校正网络238

6.2.4调节器239

6.3频域法串联校正241

6.3.1串联分析法241

6.3.2串联综合法249

6.3.3 PID调节器251

6.4频域法反馈校正261

6.5控制系统的复合校正263

6.5.1按扰动补偿的复合校正263

6.5.2按输入补偿的复合校正265

6.6例题精解266

学习指导与小结275

习题276

第7章 非线性系统279

7.1典型非线性特性279

7.1.1典型非线性特性的种类279

7.1.2非线性系统的若干特征281

7.1.3非线性系统的分析方法283

7.2描述函数法283

7.2.1描述函数的定义283

7.2.2描述函数的求法286

7.2.3组合非线性特性的描述函数288

7.2.4用描述函数法分析非线性系统289

7.3相平面法293

7.3.1相平面法的基本概念293

7.3.2相平面图的绘制293

7.3.3线性系统的相平面图296

7.3.4奇点和奇线298

7.3.5非线性系统的相平面法分析302

7.4例题精解306

学习指导与小结315

习题317

第8章 离散控制系统320

8.1引言320

8.1.1离散系统的基本概念320

8.1.2离散系统的定义及常用术语322

8.1.3离散系统的特点324

8.2采样过程和采样定理325

8.2.1采样过程的数学描述325

8.2.2采样信号频谱分析327

8.2.3采样定理329

8.3信号恢复330

8.3.1信号保持的基本原理330

8.3.2零阶保持器331

8.4 Z变换334

8.4.1 Z变换的定义334

8.4.2 Z变换的求法335

8.4.3 Z变换的性质337

8.4.4 Z反变换343

8.5离散系统的数学模型345

8.5.1差分方程345

8.5.2脉冲传递函数350

8.5.3离散系统结构图与脉冲传递函数354

8.5.4两种数学模型之间的相互转换362

8.6离散系统的时域分析363

8.6.1s平面与z平面的映射关系363

8.6.2离散系统的动态性能分析365

8.6.3离散系统的稳定性分析371

8.6.4离散系统的稳态误差374

8.7离散系统的数字校正377

8.7.1数字控制器的脉冲传递函数378

8.7.2最少拍系统及其设计380

8.8例题精解392

学习指导与小结400

习题403

第9章 控制系统的MATLAB仿真与模拟实验408

9.1 MATLAB简介408

9.1.1 MATLAB的安装408

9.1.2 MATLAB工作界面409

9.1.3 MATLAB命令窗口410

9.2 MATLAB基本操作命令411

9.2.1简单矩阵的输入411

9.2.2复数矩阵输入412

9.2.3 MATLAB语句和变量412

9.2.4语句以“%”开始和以分号“；”结束的特殊效用413

9.2.5工作空间信息的获取、退出和保存413

9.2.6常数与算术运算符413

9.2.7 MATLAB图形窗口413

9.2.8 MATLAB编程指南414

9.3 MATLAB在控制系统中的应用415

9.3.1用MATLAB建立传递函数模型415

9.3.2用MATLAB求系统的零点、极点及特征多项式419

9.3.3用MATLAB绘制二维图形422

9.3.4用MATLAB分析控制系统性能425

9.4 Simulink方法建模与仿真441

9.5自动控制理论模拟实验与Simulink仿真444

实验一 典型环节及阶跃响应测试445

实验二 系统频率特性测量451

实验三 连续系统的频率法串联校正456

附录1 拉普拉斯（Laplace）变换462

附录2 MATLAB常用命令470

参考文献472