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第1章 自动控制的一般概念 1

1.1 引言 1

1.2 自动控制与自动控制系统 1

1.2.1 人工控制 2

1.2.2 自动控制 2

1.2.3 自动控制系统 3

1.2.4 控制系统的方块图 3

1.3 自动控制系统的基本控制方式 3

1.3.1 开环控制 4

1.3.2 闭环控制 5

1.3.3 复合控制 6

1.4 自动控制系统的基本组成与分类 7

1.4.1 自动控制系统的基本组成 7

1.4.2 自动控制系统的分类 8

1.5 自动控制系统示例 9

1.5.1 计算机硬盘读／写数据系统 9

1.5.2 水加热自动控制系统 10

1.5.3 防空导弹制导系统 10

1.6 对自动控制系统的要求 12

1.6.1 稳定性 12

1.6.2 快速性 12

1.6.3 准确性 12

1.6.4 自动控制理论主要研究的问题 12

习题 13

第2章 控制系统的数学模型 15

2.1 数学模型概述 15

2.1.1 数学模型的定义与分类 15

2.1.2 数学模型建立的原则 15

2.2 控制系统的微分方程 16

2.2.1 微分方程列写步骤 16

2.2.2 控制系统元件微分方程的列写 16

2.2.3 控制系统微分方程的列写 19

2.2.4 非线性微分方程的线性化 20

2.3 控制系统的传递函数 23

2.3.1 传递函数的定义 23

2.3.2 传递函数的性质 24

2.3.3 MATLAB中传递函数模型的建立 26

2.3.4 电网络传递函数的求取 30

2.3.5 典型环节及其传递函数 33

2.4 控制系统的结构图 38

2.4.1 结构图的概念 38

2.4.2 结构图的组成 39

2.4.3 结构图的绘制 39

2.4.4 结构图的基本连接形式 43

2.4.5 结构图的等效变换 44

2.4.6 用MATLAB求取三种基本连接形式的传递函数 50

2.5 信号流图 53

2.5.1 信号流图的组成及性质 53

2.5.2 信号流图的绘制 55

2.5.3 梅森增益公式及其应用 56

2.6 控制系统的闭环传递函数 59

2.6.1 几个基本概念 59

2.6.2 闭环传递函数 59

习题 63

第3章 线性系统的时域分析法 68

3.1 引言 68

3.1.1 典型输入信号 68

3.1.2 动态过程和稳态过程 70

3.1.3 性能指标 70

3.2 一阶系统的时域分析 71

3.2.1 数学模型 71

3.2.2 单位阶跃响应 72

3.2.3 单位斜坡响应 73

3.2.4 单位脉冲响应 73

3.2.5 时间响应的特点 74

3.3 二阶系统的时域分析 74

3.3.1 数学模型 75

3.3.2 二阶系统的工作状态 75

3.3.3 单位阶跃响应 76

3.3.4 欠阻尼二阶系统的动态性能分析 79

3.3.5 过阻尼二阶系统的动态性能分析 83

3.3.6 二阶系统性能的改善 85

3.4 高阶系统的时间响应与性能估算 87

3.4.1 高阶系统的时间响应 87

3.4.2 基于主导极点法的高阶系统性能估算 89

3.5 应用MATLAB求解系统的时间响应 90

3.5.1 单位阶跃响应 91

3.5.2 单位脉冲响应 94

3.5.3 单位斜坡响应 95

3.5.4 任意输入信号作用下的响应 96

3.6 线性系统的稳定性分析 97

3.6.1 稳定性的概念和定义 97

3.6.2 线性系统稳定的充分必要条件 98

3.6.3 劳思稳定判据 99

3.6.4 应用MATLAB进行稳定性分析 105

3.7 线性系统的稳态误差计算 107

3.7.1 误差与稳态误差 107

3.7.2 系统类型 108

3.7.3 输入信号作用下稳态误差的计算 109

3.7.4 扰动作用下的稳态误差 112

3.7.5 减小或消除稳态误差的措施 114

习题 115

第4章 线性系统的根轨迹法 121

4.1 根轨迹的基本概念 121

4.1.1 根轨迹 121

4.1.2 根轨迹方程 123

4.2 根轨迹的绘制 124

4.2.1 绘制根轨迹的基本法则 124

4.2.2 影响根轨迹形状的其他因素 137

4.2.3 根轨迹绘制举例 139

4.3 应用MATLAB绘制根轨迹 143

4.4 几类典型控制系统的根轨迹 146

4.4.1 非最小相位系统的根轨迹 146

4.4.2 参数根轨迹 149

4.4.3 零度根轨迹 151

4.4.4 根轨迹簇 154

4.5 系统性能分析 155

习题 157

第5章 线性系统的频域分析法 159

5.1 频率特性 159

5.1.1 频率特性的基本概念 159

5.1.2 频率特性的求取 161

5.1.3 频率特性的几何表示法 163

5.2 典型环节的频率特性 164

5.2.1 比例环节 165

5.2.2 积分环节与纯微分环节 165

5.2.3 惯性环节与一阶微分环节 168

5.2.4 振荡环节与二阶微分环节 172

5.2.5 不稳定环节 177

5.2.6 延迟环节 179

5.3 开环频率特性曲线的绘制 179

5.3.1 开环幅相频率特性曲线 180

5.3.2 应用MATLAB绘制幅相频率特性曲线 185

5.3.3 开环对数频率特性曲线 187

5.3.4 应用MATLAB绘制对数频率特性曲线 190

5.3.5 最小相位系统与非最小相位系统 193

5.4 频域稳定判据 195

5.4.1 奈奎斯特稳定判据 196

5.4.2 对数频率稳定判据 206

5.5 控制系统的稳定裕度 210

5.5.1 相角裕度γ 210

5.5.2 幅值裕度h 210

5.5.3 稳定裕度计算举例 212

5.5.4 应用MATLAB求稳定裕度及相应频率 216

5.6 闭环频率特性 217

5.6.1 闭环频率特性与开环频率特性的关系 217

5.6.2 闭环幅频特性及其频域指标 217

5.6.3 应用MATLAB求闭环频域指标 218

5.7 系统性能分析 220

5.7.1 开环对数幅频特性形状对系统性能的影响 220

5.7.2 由频率响应与时域响应的对应关系分析系统的动态性能 223

习题 227

第6章 控制系统的校正 232

6.1 基本概念 232

6.1.1 不可变部分与系统校正 232

6.1.2 校正方式 232

6.1.3 性能指标 233

6.1.4 校正装置的设计方法 234

6.2 串联超前校正 234

6.2.1 超前校正网络及其特性 234

6.2.2 频率法串联超前校正 236

6.3 串联滞后校正 240

6.3.1 滞后校正网络及其特性 240

6.3.2 频率法串联滞后校正 241

6.4 串联滞后—超前校正 246

6.4.1 滞后—超前校正网络及其特性 246

6.4.2 频率法串联滞后—超前校正 248

6.5 反馈校正 253

6.5.1 反馈校正原理 253

6.5.2 反馈校正功能 254

6.5.3 期望特性法反馈校正 258

6.6 复合校正 265

6.6.1 按扰动补偿的复合校正 265

6.6.2 按输入补偿的复合校正 267

习题 270

第7章 线性离散系统的分析与校正 274

7.1 离散系统的基本概念 274

7.1.1 采样控制系统 274

7.1.2 数字控制系统 275

7.1.3 离散系统 277

7.2 信号的采样与保持 278

7.2.1 采样过程及其物理意义 278

7.2.2 采样信号的数学描述 279

7.2.3 信号的复现（保持） 282

7.3 z变换 284

7.3.1 z变换的定义 284

7.3.2 z变换的求取方法 285

7.3.3 z变换的基本性质和定理 287

7.3.4 z反变换 290

7.3.5 应用MATLAB求z变换与z反变换 293

7.4 离散系统的脉冲传递函数 294

7.4.1 脉冲传递函数的概念 294

7.4.2 开环脉冲传递函数 297

7.4.3 闭环脉冲传递函数 299

7.5 线性离散系统的稳定性分析 302

7.5.1 从s平面到z平面的映射 303

7.5.2 线性离散系统稳定的充分必要条件 304

7.5.3 w域劳思稳定判据 304

7.5.4 应用MATLAB进行稳定性分析 306

7.6 线性离散系统的稳态误差 308

7.6.1 单位阶跃输入时的稳态误差 309

7.6.2 单位斜坡输入时的稳态误差 309

7.6.3 单位加速度输入时的稳态误差 309

7.7 线性离散系统的动态性能分析 312

7.7.1 解析法求取单位阶跃响应 312

7.7.2 闭环极点与动态性能的关系 314

7.7.3 应用MATLAB求取单位阶跃响应 315

7.8 离散系统的数字校正 318

7.8.1 最少拍系统设计 319

7.8.2 无波纹最少拍系统设计 324

习题 327

第8章 非线性控制系统的分析 331

8.1 非线性控制系统概述 331

8.1.1 非线性控制系统概念 331

8.1.2 典型非线性特性 332

8.1.3 非线性控制系统的特征 334

8.1.4 非线性控制系统的分析与设计方法 335

8.2 描述函数 335

8.2.1 描述函数的基本概念 335

8.2.2 典型非线性特性的描述函数 337

8.2.3 复杂非线性特性的描述函数 341

8.3 描述函数法 343

8.3.1 非线性控制系统的简化 343

8.3.2 非线性控制系统的稳定性分析 344

8.3.3 非线性控制系统周期运动的稳定性分析 345

8.4 应用MATLAB/Simulink进行非线性控制系统的数字仿真 349

习题 352

附录A 常用函数的拉普拉斯变换 355

附录B 拉普拉斯变换常用定理 356

附录C MATLAB/Simulink简介 357

附录D 本书中用到的MATLAB函数索引 367

参考文献 369