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第1章 自动控制系统概述 1

1.1 自动控制理论发展简史 1

1.2 人工控制与自动控制 3

1.2.1 人工控制 3

1.2.2 自动控制 4

1.3 开环控制系统与闭环控制系统 5

1.3.1 开环控制系统 5

1.3.2 闭环控制系统 6

1.4 自动控制系统的组成 7

1.4.1 基本组成部分 7

1.4.2 自动控制系统中常用的名词术语 8

1.5 自动控制系统的分类 8

1.5.1 按输入信号的特点分类 9

1.5.2 按描述系统的动态方程分类 9

1.5.3 按系统的参数是否随时间而变化分类 9

1.5.4 按信号的传递是否连续分类 9

1.5.5 按照输入信号和输出信号的数目分类 10

1.6 自动控制系统的应用实例 10

1.6.1 炉温控制系统 10

1.6.2 函数记录仪 11

1.6.3 导弹发射架范围控制系统 12

1.6.4 计算机控制系统 13

1.7 对自动控制系统的基本要求 13

1.8 本课程研究的主要内容 14

本章小结 14

习题 15

第2章 控制系统的数学模型 17

2.1 控制系统的微分方程 17

2.1.1 线性系统微分方程的建立 17

2.1.2 非线性系统微分方程的线性化 20

2.2 传递函数 22

2.2.1 传递函数的定义和性质 22

2.2.2 用复数阻抗法求电网络的传递函数 25

2.2.3 典型环节及其传递函数 27

2.3 控制系统的结构图及其等效变换 31

2.3.1 结构图的组成 31

2.3.2 结构图的建立 31

2.3.3 结构图的等效变换 32

2.4 自动控制系统的传递函数 37

2.4.1 系统的开环传递函数 37

2.4.2 闭环系统的传递函数 38

2.4.3 闭环系统的偏差传递函数 39

2.5 信号流图 40

2.5.1 信号流图的基本要素 40

2.5.2 信号流图的常用术语 40

2.5.3 信号流图的性质 41

2.5.4 信号流图的等效变换法则 41

2.5.5 梅森（Mason）公式 42

2.6 脉冲响应函数 44

2.7 控制系统数学模型的MATLAB实现 44

2.7.1 控制系统的数学模型 44

2.7.2 应用举例 46

本章小结 47

习题 48

第3章 时域分析法 51

3.1 稳定性和代数稳定判据 51

3.1.1 稳定性的概念 51

3.1.2 线性定常系统稳定的充分必要条件 52

3.1.3 劳斯稳定判据 52

3.1.4 劳斯稳定判据的应用 54

3.2 典型输入信号和时域性能指标 57

3.2.1 典型输入信号 57

3.2.2 动态过程与稳态过程 59

3.2.3 时域性能指标 60

3.3 一阶系统的动态响应 61

3.3.1 一阶系统的时域数学模型 61

3.3.2 一阶系统的重要特性 64

3.4 二阶系统的动态响应 64

3.4.1 数学模型的标准形式 65

3.4.2 典型二阶系统的单位阶跃响应 65

3.4.3 典型二阶系统动态性能指标 68

3.4.4 二阶系统性能的改善 72

3.5 高阶系统的动态响应 74

3.5.1 高阶系统的数学模型 74

3.5.2 高阶系统的时域分析 74

3.6 控制系统的稳态误差 76

3.6.1 误差与稳态误差的定义 76

3.6.2 控制系统的类型 77

3.6.3 给定输入下的稳态误差 78

3.6.4 扰动作用下的稳态误差 80

3.6.5 改善系统稳态精度的方法 81

3.7 控制系统的基本控制规律 82

3.7.1 基本控制规律 82

3.7.2 比例-微分控制（PD调节器） 83

3.7.3 比例-积分控制（PI调节器） 84

3.7.4 比例-积分-微分控制（PID调节器） 85

3.8 控制系统时域分析的MATLAB应用 85

3.8.1 基于Toolbox工具箱的时域分析 85

3.8.2 基于Simulink的时域分析 88

本章小结 90

习题 90

第4章 根轨迹分析法 93

4.1 根轨迹的基本概念 93

4.1.1 根轨迹图 93

4.1.2 根轨迹方程 95

4.2 绘制根轨迹的基本规则 97

4.3 控制系统根轨迹的绘制 110

4.3.1 常规根轨迹的绘制 110

4.3.2 参数根轨迹 115

4.3.3 多回路系统的根轨迹 118

4.3.4 正反馈系统的根轨迹 120

4.3.5 延迟系统的根轨迹 123

4.4 利用根轨迹分析控制系统性能 126

4.4.1 由根轨迹法分析闭环系统性能 126

4.4.2 增加开环零极点对根轨迹和系统性能的影响 132

4.4.3 条件稳定系统的分析 134

4.4.4 根轨迹的校正 136

4.5 应用MATLAB绘制系统的根轨迹 136

4.5.1 绘制根轨迹的相关函数 136

4.5.2 利用MATLAB指令绘制系统的根轨迹 136

本章小结 138

习题 139

第5章 频率特性法 143

5.1 频率特性的基本概念 143

5.1.1 频率响应 143

5.1.2 频率特性 144

5.1.3 由传递函数求取频率特性 146

5.1.4 常用频率特性曲线 148

5.2 幅相频率特性曲线及其绘制 148

5.2.1 幅相频率特性曲线基本概念 148

5.2.2 典型环节的奈氏图 149

5.2.3 开环奈氏图的绘制 155

5.3 对数频率特性曲线及其绘制 160

5.3.1 对数频率特性曲线基本概念 160

5.3.2 典型环节的波德图 162

5.3.3 开环波德图的绘制 168

5.3.4 最小相位系统 171

5.3.5 由实测波德图求传递函数 173

5.4 奈奎斯特稳定判据 174

5.4.1 幅角原理 174

5.4.2 奈奎斯特稳定判据 175

5.4.3 简化奈奎斯特稳定判据 180

5.4.4 奈奎斯特稳定判据在波德图上的应用 183

5.4.5 奈奎斯特稳定判据的其他应用 185

5.5 控制系统的相对稳定性 186

5.5.1 幅值穿越频率ωc与相位穿越频率ωg 187

5.5.2 相位裕量 187

5.5.3 幅值裕量 188

5.5.4 系统的稳定裕量 188

5.6 利用开环频率特性分析系统的性能 190

5.6.1 开环对数幅频特性L（ω）低频段与系统性能的关系 190

5.6.2 开环对数幅频特性L（ω）中频段与系统性能的关系 192

5.6.3 开环对数幅频特性L（ω）高频段与系统抗干扰性能的关系 198

5.6.4 L（ω）应满足的要求 199

5.7 闭环系统频率特性 199

5.7.1 闭环频域指标 199

5.7.2 闭环频率特性的求取 200

5.7.3 闭环频域指标与时域指标的关系 206

5.8 MATLAB在频率特性法中的应用 208

5.8.1 波德图的绘制 208

5.8.2 奈氏图的绘制 210

5.8.3 尼科尔斯图的绘制 211

本章小结 213

习题 213

第6章 控制系统的校正 218

6.1 校正的基本概念 218

6.1.1 控制系统的性能指标 218

6.1.2 校正的一般概念与基本方法 219

6.1.3 频率法校正 221

6.1.4 其他设计方法 221

6.1.5 系统结构的简化处理 222

6.2 超前校正装置及其参数的确定 223

6.2.1 相位超前校正装置及其特性 223

6.2.2 串联超前校正的分析法设计 226

6.2.3 超前校正的优点 228

6.3 滞后校正装置及其参数的确定 229

6.3.1 相位滞后校正装置及其特性 229

6.3.2 串联滞后校正装置的分析法设计 232

6.3.3 滞后校正的优点 234

6.4 滞后-超前校正装置及其参数的确定 235

6.4.1 相位滞后-超前校正装置及其特性 235

6.4.2 系统滞后-超前校正的分析法设计 237

6.5 串联PID校正 240

6.5.1 基本概念 240

6.5.2 设计实例 241

6.6 期望对数频率特性设计法 243

6.6.1 期望法设计的基本概念 243

6.6.2 常见期望特性 243

6.6.3 应用实例 246

6.7 基于根轨迹法的串联校正 250

6.7.1 根轨迹法校正的基本概念 250

6.7.2 利用根轨迹法设计超前校正装置 250

6.7.3 利用根轨迹法设计滞后校正装置 253

6.7.4 利用根轨迹法设计滞后-超前校正装置 257

6.8 反馈校正装置及其参数的确定 257

6.8.1 反馈校正的基本概念 258

6.8.2 反馈校正的设计方法 258

6.8.3 常用反馈校正形式与功能 262

6.8.4 反馈校正的作用 264

6.9 控制系统校正的MATLAB应用 264

6.9.1 MATLAB指令在控制系统校正中的应用 264

6.9.2 基于Simulink的系统校正 266

本章小结 267

习题 268

第7章 非线性控制系统 273

7.1 非线性控制系统的基本概念 273

7.1.1 非线性控制系统的数学描述 273

7.1.2 典型非线性特性 273

7.1.3 非线性控制系统的特点 276

7.1.4 非线性控制系统的分析和设计方法 277

7.2 描述函数法 277

7.2.1 描述函数的基本概念 277

7.2.2 典型非线性特性的描述函数 279

7.2.3 非线性系统的描述函数法分析 286

7.3 相平面法 291

7.3.1 相平面法的基本概念 291

7.3.2 二阶线性系统的相轨迹 292

7.3.3 相轨迹的绘制方法 294

7.3.4 用相轨迹求系统暂态响应 297

7.3.5 非线性系统的相平面分析 298

7.4 利用非线性特性改善线性系统的性能 305

7.5 MATLAB在非线性控制系统中的应用 308

7.5.1 利用MATLAB分析非线性系统的频率特性与时域响应 308

7.5.2 利用MATLAB绘制非线性系统的相平面图 310

本章小结 311

习题 311

第8章 离散控制系统的分析和综合 314

8.1 离散控制系统的基本概念 314

8.1.1 采样控制系统 314

8.1.2 数字控制系统 315

8.1.3 离散控制系统的特点 317

8.1.4 离散控制系统的研究方法 318

8.2 信号的采样与保持 318

8.2.1 信号的采样 318

8.2.2 信号的复现及零阶保持器 321

8.3 Z变换 323

8.3.1 采样信号的拉普拉斯变换 323

8.3.2 Z变换的定义 324

8.3.3 Z变换的方法 324

8.3.4 Z变换的性质 328

8.3.5 Z反变换 332

8.4 脉冲传递函数 336

8.4.1 脉冲传递函数 336

8.4.2 开环系统的脉冲传递函数 338

8.4.3 离散控制系统的闭环脉冲传递函数 341

8.4.4 应用Z变换分析离散系统的局限性与条件 347

8.4.5 差分方程 349

8.5 离散控制系统稳定性分析 351

8.5.1 离散控制系统稳定的充分必要条件 351

8.5.2 离散控制系统的劳斯稳定判据 354

8.5.3 线性离散系统的稳定性 356

8.6 离散系统的稳态误差分析 357

8.6.1 离散系统的稳态误差 357

8.6.2 离散系统的类型与典型输入信号作用下稳态误差 358

8.7 离散系统的动态性能分析 361

8.7.1 离散系统的时间响应 361

8.7.2 闭环极点与动态响应的关系 361

8.8 离散系统的数字校正 366

8.8.1 数字控制器的脉冲传递函数 366

8.8.2 最少拍系统设计 368

8.9 MATLAB在离散控制系统中的应用 376

8.9.1 利用Toolbox工具箱分析离散系统 376

8.9.2 利用Simulink分析离散控制系统 377

本章小结 379

习题 380

附录A 拉普拉斯变换及反变换 384

附录B Z变换及反变换 387

附录C 常见的无源及有源校正网络 389

附录D MATLAB在控制系统的应用简介 392

参考文献 398