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第1章 绪论 1

1.1 概述 1

1.2 控制系统的分类 2

1.2.1 研究对象与任务 2

1.2.2 系统的分类 4

1.2.3 系统及其模型 6

1.3 控制系统的基本原理 8

1.3.1 自动控制理论 8

1.3.2 反馈控制理论 9

1.3.3 反馈控制系统的组成 9

1.3.4 控制系统的基本要求 11

1.4 控制系统的示例 11

1.5 控制系统的分析与设计工具 12

1.5.1 MATLAB概述 12

1.5.2 控制系统工具箱 12

1.5.3 MATLAB辅助分析与设计 13

本章小结 17

习题 17

第2章 控制系统的数学模型 18

2.1 傅里叶变换与拉普拉斯变换 18

2.1.1 傅里叶变换 18

2.1.2 拉普拉斯变换 20

2.2 控制系统的微分方程 31

2.2.1 概述 31

2.2.2 列写微分方程的一般方法 32

2.2.3 非线性微分方程的线性化 35

2.2.4 相似原理 37

2.3 控制系统的传递函数 38

2.3.1 传递函数 39

2.3.2 传递函数的零点、极点和放大系数 40

2.3.3 系统的状态空间模型 42

2.3.4 典型环节的传递函数 45

2.4 控制系统的传递函数方框图及其简化 52

2.4.1 传递函数方框图的组成和绘制 52

2.4.2 传递函数方框图的等效变换和简化 58

2.5 考虑扰动的控制系统的传递函数 63

2.5.1 系统开环传递函数 63

2.5.2 主令输入xi（t）作用下系统的闭环传递函数 64

2.5.3 干扰n（t）作用下系统的闭环传递函数 64

2.5.4 系统的总输出 65

2.6 基于MATLAB建立数学模型 65

2.6.1 基于MATLAB建立系统的传递模型 65

2.6.2 基于MATLAB建立系统的零极点增益模型 66

2.6.3 基于MATLAB建立系统的状态空间模型 67

本章小结 68

习题 68

第3章 控制系统的时间响应分析 73

3.1 时间响应及其组成 73

3.1.1 时间响应 73

3.1.2 时间响应的组成 73

3.2 系统的时域性能指标 74

3.2.1 典型输入信号 74

3.2.2 动态过程和稳态过程 77

3.2.3 动态性能和稳态性能 77

3.3 一阶系统的时域分析 78

3.3.1 一阶系统的数学模型 78

3.3.2 一阶系统的单位阶跃响应 79

3.3.3 一阶系统的单位脉冲响应 80

3.3.4 一阶系统的单位斜坡响应 81

3.3.5 一阶系统的单位加速度响应 81

3.4 二阶系统的时域分析 82

3.4.1 二阶系统的数学模型 82

3.4.2 二阶系统的单位阶跃响应 83

3.4.3 二阶系统的单位脉冲响应 88

3.4.4 二阶系统的计算举例 89

3.5 高阶系统的时域分析 91

3.5.1 高阶系统的单位阶跃响应 92

3.5.2 闭环主导极点及其动态性能分析 93

3.6 系统误差分析与计算 94

3.6.1 系统的误差和偏差 94

3.6.2 系统的误差计算 95

3.6.3 系统的类型 96

3.6.4 系统的稳态误差和稳态偏差 96

3.7 基于MATLAB的系统时间响应分析 101

3.7.1 基于MATLAB的时间响应 101

3.7.2 基于MATLAB的瞬态性能指标 105

本章小结 107

习题 108

第4章 控制系统的频率特性分析 112

4.1 频率特性概述 112

4.1.1 频率特性的基本概念 112

4.1.2 频率特性的求法及几何表示 113

4.1.3 频率特性的特点和作用 115

4.1.4 频率特性的图示方法 116

4.2 频率特性的Nyquist图 117

4.2.1 Nyquist图及其一般物理意义 117

4.2.2 Nyquist图的一般形状 118

4.3 频率特性的Bode图 122

4.3.1 Bode图概述 122

4.3.2 典型环节的Bode图绘制 122

4.3.3 绘制系统Bode图的步骤与实例 127

4.4 频率特性的相关参数 130

4.5 最小相位系统和非最小相位系统 131

4.6 基于MATLAB的频率特性分析 132

4.6.1 基于MATLAB绘制Nyquist图 132

4.6.2 基于MATLAB绘制Bode图 133

4.6.3 基于MATLAB求系统的频域指标 135

本章小结 136

习题 136

第5章 控制系统的稳定性分析 139

5.1 系统稳定性概述 139

5.1.1 系统不稳定现象 139

5.1.2 系统稳定的定义和条件 140

5.1.3 系统稳定性的扩展 142

5.2 劳斯稳定判据 143

5.2.1 线性系统稳定的必要条件 143

5.2.2 劳斯稳定判据 144

5.2.3 劳斯判据的特殊情况 147

5.2.4 劳斯稳定判据的应用 151

5.3 Nyquist稳定判据 152

5.3.1 Nyquist稳定判据数学基础 152

5.3.2 Nyquist稳定判据 154

5.3.3 开环含有特殊环节时的Nyquist分析 156

5.3.4 Nyquist判据的相关说明及应用举例 157

5.4 Bode稳定判据 160

5.4.1 Bode图和Nyquist图的对应分析 160

5.4.2 穿越的概念 161

5.4.3 Bode判据 162

5.4.4 条件稳定系统 162

5.5 系统的相对稳定性 163

5.5.1 相位裕度 163

5.5.2 幅值裕度 164

5.5.3 Bode稳定判据举例 165

5.5.4 影响系统稳定性的主要因素 169

5.6 闭环系统的频域性能指标 169

5.6.1 由开环频率特性估计闭环频率特性 169

5.6.2 闭环系统的频域性能指标 170

5.6.3 时域指标与频域指标的关系 171

5.7 基于MATLAB的系统稳定性分析 173

5.7.1 基于MATLAB求解系统的特征根 173

5.7.2 基于MATLAB求系统的频域参数和判定相对稳定性 174

本章小结 175

习题 175

第6章 系统的性能指标与校正 178

6.1 系统的设计与校正问题 178

6.1.1 系统的性能指标 178

6.1.2 系统带宽的确定 180

6.1.3 校正的概念及分类 181

6.1.4 基本控制规律 183

6.2 串联校正 186

6.2.1 频率特性法校正设计 186

6.2.2 串联超前校正 186

6.2.3 相位滞后校正 190

6.2.4 相位滞后-超前校正 193

6.3 PID校正 196

6.3.1 PID控制规律 196

6.3.2 PID调节器设计 197

6.4 反馈校正 198

6.4.1 位置反馈校正 198

6.4.2 速度反馈校正 199

6.5 基于MATLAB设计系统校正 200

本章小结 202

习题 202

第7章 离散系统分析 205

7.1 离散控制系统概述 205

7.1.1 采样控制系统与数字控制系统 205

7.1.2 A/D转换器与D/A转换器 206

7.1.3 离散控制系统的特点 208

7.2 信号的采样与采样定理 208

7.2.1 信号采样 208

7.2.2 采样定理 209

7.2.3 采样的保持 211

7.3 离散控制系统的数学模型——差分方程 212

7.3.1 线性常系数差分方程 213

7.3.2 差分方程的解法 214

7.4 离散控制系统的传递函数 215

7.4.1 脉冲传递函数的定义与求解 216

7.4.2 脉冲传递函数的建立 217

7.5 离散控制系统分析 221

7.5.1 离散控制系统稳定性分析 221

7.5.2 离散控制系统动态性能分析 224

7.5.3 离散控制系统稳态性能分析 226

7.6 基于MATLAB的离散系统分析与校正 228

7.6.1 连续系统的离散化 229

7.6.2 离散系统的单位阶跃响应 229

7.6.3 离散系统的频域响应 230

本章小结 231

习题 232

参考文献 234