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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 72

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 77

3.3.4 二阶系统性能的改善 81

3.4 高阶系统的动态性能 84

3.4.1 高阶系统的数学模型 84

3.4.2 高阶系统的单位阶跃响应 84

3.4.3 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 87

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 96

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 Simulink 104

习题 108

MATLAB实验 110

第4章 根轨迹法 112

4.1 根轨迹的基本概念 112

4.1.1 根轨迹概念 112

4.1.2 根轨迹方程 114

4.2 绘制根轨迹图的基本规则 115

4.3 控制系统根轨迹的绘制 125

4.3.1 单回路负反馈系统的根轨迹 126

4.3.2 参数根轨迹 130

4.3.3 多回路系统的根轨迹 132

4.3.4 正反馈系统的根轨迹 134

4.3.5 滞后系统的根轨迹 136

4.4 控制系统的根轨迹分析 138

4.4.1 闭环零、极点和时间响应 139

4.4.2 增加开环零、极点对根轨迹和系统性能的影响 143

4.4.3 条件稳定系统的分析 145

4.5 应用MATLAB绘制系统的根轨迹 146

4.5.1 绘制根轨迹的相关函数 146

4.5.2 利用MATLAB绘制系统的根轨迹 146

习题 149

MATLAB实验 151

第5章 频率特性法 153

5.1 频率特性的基本概念 154

5.1.1 频率响应 154

5.1.2 频率特性 155

5.1.3 由传递函数求取频率特性 157

5.1.4 常用频率特性曲线 159

5.2 幅相频率特性及其绘制 159

5.2.1 幅相频率特性曲线（奈氏图）基本概念 159

5.2.2 典型环节的幅相频率特性 160

5.2.3 开环奈氏图的绘制 166

5.3 对数频率特性及其绘制 172

5.3.1 对数频率特性曲线基本概念 172

5.3.2 典型环节的伯德图 174

5.3.3 开环伯德图的绘制 182

5.3.4 最小相位系统 185

5.3.5 由实测伯德图求传递函数 186

5.4 奈奎斯特稳定判据 188

5.4.1 幅角原理 188

5.4.2 奈奎斯特稳定判据 189

5.4.3 简化奈奎斯特稳定判据 194

5.4.4 奈奎斯特稳定判据在伯德图上的应用 197

5.4.5 奈奎斯特稳定判据的其他应用 199

5.5 控制系统的相对稳定性 200

5.5.1 幅值穿越频率ωc与相位穿越频率ωg 201

5.5.2 相位裕量 202

5.5.3 幅值裕量 202

5.5.4 系统的稳定裕量 203

5.6 利用开环频率特性分析系统的性能 204

5.6.1 开环对数幅频特性L（ω）低频段与系统性能的关系 204

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 206

5.6.3 开环对数幅频特性L（ω）高频段与系统性能的关系 212

5.7 闭环系统频率特性 213

5.7.1 闭环频域指标 213

5.7.2 闭环频率特性的求取 215

5.7.3 闭环频域指标与时域指标的关系 222

5.8 MATLAB在频率特性法中的应用 224

5.8.1 奈氏图的绘制 224

5.8.2 伯德图的绘制 225

5.8.3 尼柯尔斯图的绘制 227

习题 228

MATLAB实验 231

第6章 控制系统的校正 233

6.1 控制系统校正的基本概念 233

6.1.1 控制系统的性能指标 233

6.1.2 校正的一般概念与基本方法 234

6.1.3 频率法校正 236

6.1.4 其他设计方法 237

6.2 控制系统的基本控制规律 237

6.2.1 基本控制规律 237

6.2.2 比例-微分控制 239

6.2.3 比例-积分控制 240

6.2.4 比例-积分-微分控制 241

6.3 超前校正装置及其参数的确定 242

6.3.1 相位超前校正装置及其特性 242

6.3.2 系统超前校正的分析法设计 245

6.3.3 小结 248

6.4 滞后校正装置及其参数的确定 249

6.4.1 相位滞后校正装置及其特性 249

6.4.2 串联滞后校正装置的分析法设计 253

6.4.3 小结 256

6.5 滞后-超前校正装置及其参数的确定 256

6.5.1 相位滞后-超前校正装置及其特性 256

6.5.2 系统滞后-超前校正的分析法设计 259

6.5.3 小结 262

6.6 期望对数频率特性设计法 264

6.6.1 期望法设计的基本概念 264

6.6.2 常见系统的期望特性 265

6.6.3 应用实例 268

6.6.4 小结 272

6.7 基于根轨迹法的串联校正 273

6.7.1 根轨迹法校正的基本概念 273

6.7.2 利用根轨迹法设计超前校正装置 275

6.7.3 利用根轨迹法设计滞后校正装置 277

6.7.4 利用根轨迹法设计滞后-超前校正装置 280

6.8 反馈校正装置及其参数的确定 281

6.8.1 反馈校正的基本概念 281

6.8.2 反馈校正的设计方法 283

6.8.3 常用反馈校正形式与功能 287

6.8.4 小结 289

6.9 控制系统校正的MATLAB应用 290

6.9.1 MATLAB函数在控制系统校正中的应用 290

6.9.2 基于Simulink的系统校正 292

习题 294

MATLAB实验 296

第7章 非线性控制系统 297

7.1 非线性系统的基本概念 297

7.1.1 非线性系统的数学描述 297

7.1.2 非线性特性的分类 298

7.1.3 非线性系统的特点 301

7.1.4 非线性系统的分析和设计方法 302

7.2 二阶线性和非线性系统的相平面分析 302

7.2.1 相平面、相轨迹和平衡点 302

7.2.2 二阶线性系统的特征 304

7.2.3 二阶非线性系统的特征 306

7.3 非线性系统的相平面分析 309

7.3.1 绘制相轨迹的方法 309

7.3.2 相轨迹求系统暂态响应 313

7.3.3 相轨迹分析非线性系统 314

7.4 非线性特性的一种线性近似表示——描述函数 320

7.4.1 描述函数的意义 321

7.4.2 典型非线性特性的描述函数 322

7.4.3 非线性系统的描述函数分析 329

7.5 利用非线性特性改善线性系统的性能 334

7.6 MATLAB在非线性控制系统中的应用 337

7.6.1 利用MATLAB分析非线性系统的频率特性与时域响应 338

7.6.2 利用MATLAB绘制非线性系统的相平面图 340

习题 341

MATLAB实验 343

第8章 离散控制系统的分析和综合 344

8.1 离散控制系统的基本概念 344

8.1.1 离散控制系统的组成 344

8.1.2 离散控制系统的特点 347

8.1.3 离散控制系统的研究方法 347

8.2 采样过程与采样定理 347

8.2.1 采样过程 347

8.2.2 采样定理 350

8.2.3 零阶保持器 351

8.3 z变换 353

8.3.1 z变换的定义 353

8.3.2 z变换的方法 354

8.3.3 z变换的性质 357

8.3.4 z反变换 362

8.4 离散控制系统的数学模型 367

8.4.1 脉冲传递函数 367

8.4.2 开环系统的脉冲传递函数 369

8.4.3 离散控制系统的闭环脉冲传递函数 372

8.4.4 应用z变换分析离散系统的局限性与条件 378

8.4.5 差分方程 380

8.5 稳定性分析 383

8.5.1 离散控制系统稳定的充分必要条件 383

8.5.2 离散控制系统的劳斯稳定判据 386

8.6 稳态误差分析 388

8.6.1 离散系统的稳态误差 388

8.6.2 离散系统的型别与典型输入信号作用下稳态误差 389

8.7 离散系统的动态性能分析 392

8.7.1 离散系统的时间响应 393

8.7.2 闭环极点与动态响应的关系 394

8.8 离散系统的数字校正 397

8.8.1 数字控制器的脉冲传递函数 398

8.8.2 最少拍系统设计 401

8.9 MATLAB在离散控制系统中的应用 405

8.9.1 利用Toolbox工具箱分析离散系统 406

8.9.2 利用Simulink分析离散系统 408

习题 409

MATLAB实验 412

附录A经典控制理论常用词汇中英文对照表 414

附录B 控制系统分析中的MATLAB常用函数 419

附录C拉普拉斯变换及有关性质 423

参考文献 426