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第1章 自动控制系统的一般概念 1

1.1 引言 1

1.2 自动控制发展历程 1

1.3 自动控制的实例 3

1.4 自动控制系统的基本组成及要求 5

1.4.1 自动控制系统的基本组成 5

1.4.2 自动控制系统的基本要求 6

1.5 自动控制系统的分类 6

1.5.1 按控制方式分类 6

1.5.2 按控制系统性能分类 7

1.5.3 控制系统其他的分类方法 8

1.6 自动控制的发展前景 8

1.6.1 自动控制理论的发展 8

1.6.2 数控制造业的发展 9

1.6.3 电网调度的自动化技术 11

1.7 本课程的任务 12

附录：自动控制的相关术语 13

习题 14

第2章 控制系统的数学模型 15

2.1 引言 15

2.2 运动对象的微分方程 16

2.3 线性微分方程的求解 21

2.3.1 线性微分方程的特性 21

2.3.2 非线性微分方程的线性化 21

2.4 控制系统的复域数学模型 22

2.5 控制系统的结构图 27

2.5.1 结构图的基本组成 27

2.5.2 结构图的绘制 27

2.5.3 结构图的基本连接方式 29

2.5.4 结构图的简化 31

2.6 信号流图和梅逊公式 36

2.6.1 信号流图的基本术语和性质 36

2.6.2 信号流图的绘制 38

2.6.3 梅逊增益公式 40

2.7 数学模型的实验测定 45

附录：拉普拉斯变换与反变换 46

习题 52

第3章 线性系统的时域分析法 55

3.1 引言 55

3.2 线性控制系统的时域性能指标及典型输入 55

3.2.1 绝对稳定性、相对稳定性 55

3.2.2 典型输入信号 56

3.2.3 系统的时域性能指标 57

3.3 一阶系统的时域响应 58

3.3.1 单位阶跃响应 59

3.3.2 单位脉冲响应 60

3.3.3 单位斜坡响应 60

3.3.4 一阶系统的单位加速度响应 61

3.4 二阶系统的时域响应 62

3.4.1 二阶系统的数学模型 62

3.4.2 二阶系统的特性 64

3.4.3 欠阻尼二阶系统的响应 65

3.4.4 临界阻尼二阶系统的响应 73

3.4.5 过阻尼二阶系统的响应 75

3.4.6 二阶系统的性能改善 79

3.4.7 非零初始条件的二阶系统响应 85

3.5 高阶系统的时域响应 85

3.6 线性定常系统的稳定性 89

3.6.1 稳定性的基本概念 89

3.6.2 劳斯稳定判据 90

3.6.3 劳斯稳定判据特殊情况 92

3.7 线性系统稳态误差的计算 95

3.7.1 系统类型 95

3.7.2 不同类型系统的稳态误差 96

3.7.3 带扰动作用线性系统的性能分析 98

习题 100

第4章 自动控制系统的根轨迹法 104

4.1 根轨迹概念 104

4.2 根轨迹增益及根轨迹方程 105

4.2.1 根轨迹增益 105

4.2.2 根轨迹方程 107

4.3 根轨迹绘制的基本法则 110

4.4 使用MATLAB绘制根轨迹 126

4.4.1 求系统根轨迹的函数rlocus() 126

4.4.2 求系统根轨迹的函数rlocfind() 129

4.4.3 零极点分布图函数pzmap() 130

4.4.4 根轨迹设计工具 130

4.5 根轨迹与系统性能的关系 134

4.5.1 根轨迹与系统性能之间的关系 135

4.5.2 利用根轨迹设计控制系统 140

4.6 广义根轨迹 143

4.6.1 参数根轨迹 143

4.6.2 零度根轨迹 147

习题 151

第5章 自动控制系统的频域分析法 154

5.1 引言 154

5.2 频率特性的表示方法 154

5.2.1 幅相频率特性曲线图 154

5.2.2 对数频率特性图 156

5.2.3 其他频率表示方法 158

5.3 开环典型环节频率特性绘制 159

5.3.1 典型最小相位环节的幅频曲线 159

5.3.2 典型非最小相位环节的幅频曲线 165

5.4 一般系统频率特性的绘制 166

5.5 特定系统频率特性的表示方法 169

5.5.1 v型开环传递函数的幅相曲线绘制 169

5.5.2 v型开环传递函数的对数频率特性曲线的绘制 172

5.5.3 带二阶零阻尼系统开环传递函数幅相曲线的绘制 173

5.5.4 带二阶零阻尼系统开环传递函数对数频率特性曲线的绘制 177

5.5.5 带延迟环节系统幅相曲线的绘制 179

5.6 频率特性的重要性质 180

5.7 频域系统的稳定性 182

5.7.1 基本概念及数学基础 182

5.7.2 奈奎斯特稳定性判据 189

5.7.3 奈奎斯特稳定性判据应用举例 191

5.7.4 对数频率特性的稳定性判据 201

5.8 控制系统的稳定裕度 204

5.8.1 幅值裕度 205

5.8.2 相角裕度 205

5.8.3 稳定裕度举例 205

5.8.4 系统稳定性小结 207

5.9 使用MATLAB绘制系统的频率特性 208

5.9.1 控制系统的幅相特性的绘制 208

5.9.2 控制系统的对数频率特性的绘制 210

5.9.3 控制系统的Nichols曲线的绘制 212

5.9.4 控制系统稳定裕度的计算和判断 213

5.9.5 带延迟环节系统的分析 215

5.10 闭环系统的频域性能指标 217

5.10.1 闭环控制系统的带宽 217

5.10.2 闭环系统的带宽对系统性能的影响 217

5.10.3 闭环系统与开环系统之间的关系 219

5.10.4 闭环二阶系统频域指标和时域指标之间的关系 222

5.10.5 Nichols图线的应用 224

5.11 频域系统的设计举例 227

5.11.1 给定目标性能，设计系统传递函数 227

5.11.2 远程遥控侦察车 231

5.11.3 雕刻机控制系统 233

附录：傅氏变换 235

习题 240

第6章 自动控制系统的串联校正 245

6.1 引言 245

6.2 常用校正装置 245

6.2.1 无源校正网络 245

6.2.2 有源校正装置 250

6.2.3 PID控制器 253

6.3 系统的串联校正 254

6.3.1 频率响应法校正方法 254

6.3.2 串联超前校正 255

6.3.3 串联滞后校正 259

6.3.4 串联滞后-超前校正 262

6.3.5 串联校正的预期频率特性综合法 265

6.4 反馈校正 269

6.4.1 反馈校正的原理 269

6.4.2 反馈校正的特点 270

6.4.3 反馈校正的综合 271

6.4.4 测速-超前网络反馈校正 272

6.5 复合校正 274

6.5.1 按扰动补偿的复合校正 274

6.5.2 按输入补偿的复合校正 276

6.5.3 串联综合法校正 279

6.5.4 串联工程综合设计法 283

习题 286

第7章 离散采样系统 289

7.1 概述 289

7.2 计算机控制系统的组成及特点 289

7.2.1 计算机反馈控制系统 289

7.2.2 计算机控制系统的组成 290

7.2.3 计算机控制系统的特点 291

7.3 信号转换 292

7.3.1 A/D转换 292

7.3.2 采样信号 293

7.3.3 采样定理 294

7.3.4 采样周期T的选取 294

7.3.5 信号恢复与保持器 295

7.4 Z变换 295

7.4.1 采样信号拉氏变换 296

7.4.2 Z变换的定义 296

7.5 Z变换的性质和定理 297

7.6 Z变换的求法 300

7.6.1 级数求和法 300

7.6.2 基于Z变换定理求法 301

7.6.3 部分分式展开法 301

7.6.4 留数计算法 302

7.7 Z反变换 303

7.7.1 幂级数展开法 303

7.7.2 部分分式展开法 304

7.7.3 反演积分法 305

7.8 Z传递函数 306

7.8.1 Z传递函数的定义 306

7.8.2 Z传递函数与单位脉冲响应序列的关系 307

7.9 离散系统的稳定性分析 307

7.9.1 离散系统稳定性的概念 307

7.9.2 离散系统稳定性判据 308

7.10 线性离散系统的响应分析 309

习题 312

第8章 自动控制系统的工业应用 314

8.1 典型控制单元 314

8.1.1 弹簧 314

8.1.2 电位差计和变阻器 315

8.1.3 伺服电机 316

8.2 典型控制器 317

8.2.1 液压控制器 317

8.2.2 电气控制器 319

8.2.3 链式控制 321

8.2.4 比例控制 323

8.3 工业应用实例 326

8.3.1 蒸汽发生器 326

8.3.2 水处理系统 327

8.3.3 空气调节系统 328

8.3.4 无人驾驶飞机 329

参考文献 331