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第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 自动控制和自动控制系统 2

1.2.1 自动控制问题的提出 2

1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件 3

1.2.3 自动控制中的一些术语及方框图 3

1.3 开环控制和闭环控制 5

1.3.1 开环控制 5

1.3.2 闭环控制 7

1.3.3 开环与闭环控制系统的比较 8

1.4 自动控制系统的分类及基本组成 9

1.4.1 按给定信号的特征划分 9

1.4.2 按系统的数学描述划分 9

1.4.3 按信号传递的连续性划分 11

1.4.4 按系统的输入与输出信号的数量划分 12

1.4.5 自动控制系统的基本组成 13

1.5 对控制系统的要求和分析设计 14

1.5.1 对系统的要求 14

1.5.2 控制系统的分析与设计 16

1.6 自动控制理论的发展概况 16

1.6.1 早期的自动控制工作 16

1.6.2 经典控制理论 17

1.6.3 现代控制理论 18

1.7 例题精解 19

学习指导与小结 21

习题 22

第二章 控制系统的数学模型 25

2.1 引言 25

2.1.1 系统数学模型的特点 25

2.1.2 数学模型的类型 26

2.1.3 系统数学模型的建模原则 26

2.2 系统微分方程的建立 26

2.2.1 列写微分方程式的一般步骤 27

2.2.2 机械系统举例 27

2.2.3 电路系统举例 29

2.2.4 实际物理系统性微分方程的一般特征 30

2.2.5 电枢控制直流电动机 31

2.2.6 复杂系统微分方程的列写 33

2.3 非线性数学模型线性化 34

2.3.1 小偏差线性化的概念 35

2.3.2 线性化的意义及常用方法 35

2.3.3 系统线性化的条件及步骤 38

2.3.4 关于线性化的几点说明 40

2.4 线性系统的传递函数 41

2.4.1 线性常系数微分方程的求解 41

2.4.2 传递函数的定义和实际意义 43

2.4.3 传递函数的性质及微观结构 45

2.5 部分分式展开的MATLAB方法 50

2.6 典型环节及其传递函数 52

2.7 系统的结构图 58

2.7.1 结构图的定义及基本组成 59

2.7.2 结构图的绘制步骤 60

2.7.3 结构图的基本连接形式 61

2.7.4 结构图的等效变换 64

2.7.5 结构图的简化 65

2.8 信号流图及梅逊公式 66

2.8.1 信号流图的基本概念 67

2.8.2 信号流图的绘制方法 69

2.8.3 梅逊增益公式 71

2.9 例题精解 75

学习指导与小结 82

习题 88

第三章线性系统的时域分析 93

3.1 线性系统时间响应的性能指标 93

3.1.1 典型输入信号 93

3.1.2 控制系统的时域性能指标 95

3.2 一阶系统的时域分析 97

3.2.1 一阶系统的单位阶跃响应 97

3.2.2 一阶系统的单位脉冲响应 98

3.2.3 一阶系统的单位斜坡响应 99

3.3 二阶系统的时域分析 100

3.3.1 二阶系统的数学模型 100

3.3.2 二阶系统的闭环极点 101

3.3.3 二阶系统的单位阶跃响应 102

3.3.4 欠阻尼二阶系统的动态性能指标计算 105

3.3.5 二阶系统的单位脉冲响应 109

3.3.6 二阶系统的单位斜坡响应 111

3.3.7 二阶系统的性能的改善 111

3.4 高级系统的时域分析 115

3.4.1 高阶系统的阶跃响应 115

3.4.2 闭环主导极点 116

3.5 线性系统的稳定性分析 117

3.5.1 稳定的概念和定义 117

3.5.2 线性系统的稳定条件 119

3.5.3 线性系统的代数稳定判据 120

3.6 线性系统的误差分析 124

3.6.1 误差的基本概念 124

3.6.2 给定作用下的稳态误差计算 126

3.6.3 扰动作用下的稳态误差计算 128

3.6.4 提高系统控制精度的措施 129

3.7 例题精解 131

3.8 利用MATLAB进行时域分析 142

3.8.1 系统的稳定性 142

3.8.2 系统的动态特性分析 143

3.8.3 系统单位阶跃响应的求法 145

学习指导与小结 146

习题 148

第四章 概轨迹法 151

4.1 根轨迹法的基本概念 151

4.1.1 根轨迹 151

4.1.2 根轨迹方程 152

4.2 绘制系统根轨迹的基本法则 154

4.2.1 绘制180度根轨迹的基本法则 154

4.2.2 绘制0度轨迹的基本法则 165

4.2.3 参变量系统的根轨迹 167

4.2.4 非最小相位系统的根轨迹 169

4.3 控制系统的根轨迹分析方法 170

4.3.1 闭环零点和闭环极点的确定 170

4.3.2 闭环零、极点的分布对系统性能的影响 173

4.3.3 利用闭环主导极点估算系统的性能指标 174

4.3.4 开歪零极点的分布对系统性能的影响 175

4.4 例题精解 177

4.5 利用MATLAB进行根轨迹分析 189

学习指导与小结 191

习题 193

第五章 线性系统的频域分析法 197

5.1 频率特性 197

5.1.1 基本概念 197

5.1.2 频率特性的定义 199

5.1.3 频率特性的几何表示法 200

5.2 典型环节的频率特性 201

5.3 控制系统的开环频率特性 208

5.3.1 开环极坐标图 208

5.3.2 开环伯德图 213

5.3.3 最小相位系统与非最小相位系数 215

5.4 奈奎斯特稳定判据 217

5.4.1 辅助函数F（s） 217

5.4.2 控制系统的频域稳定性判据 218

5.4.3 奈奎斯特判据（简称奈氏判据） 219

5.4.4 伯德图上的稳定性判据 224

5.5 稳定裕度 226

5.6 闭环频率特性 227

5.7 频率特性分析 229

5.7.1 用开环频率特性分析系统的性能 229

5.7.2 用闭环频率特性分析系统的动态性能 232

5.7.3 开环频域指标与闭环频域指标的关系 234

5.8 利用MATLAB绘制系统的频率特性图 234

5.9 例题精解 237

学习指导与小结 246

习题 247

第六章 控制系统的校正 251

6.1 系统的设计及校正问题 251

6.1.1 被控对象 251

6.1.2 性能指标 251

6.1.3 校正结构 252

6.2 频率法串联校正 253

6.2.1 串联超前校正 254

6.2.2 串联迟后校正 258

6.2.3 串联迟后一超前校正 262

6.2.4 串联综合法校正 262

6.3 频率法反馈校正 264

6.3.1 反馈校正的原理 264

6.3.2 反馈校正方法的其他应用 267

6.4 控制系统的复合校正 269

6.4.1 按扰动补偿的复合校正 270

6.4.2 按输入补偿的复合校正 271

6.5 例题精解 273

学习指导与小结 280

习题 281

第七章 非线性系统 284

7.1 典型非线性特性 284

7.1.1 典型非线性特性的种类 284

7.1.2 非线性系统的若干特征 286

7.1.3 非线性系统的分析方法 287

7.2 描述函数 287

7.2.1 描述函数的定义 287

7.2.2 描述函数的求法 288

7.2.3 组合非线性特性的描述函数 292

7.3 描述函数法 293

7.3.1 非线性系统的稳定性分析 293

7.3.2 自振荡的分析与计算 294

7.4 相平面法 297

7.4.1 相平面法的稳定性分析 297

7.4.2 相平面图的绘制 299

7.4.3 奇点和奇线 301

7.5 非线性系统的相平面法分析 305

7.5.1 用相平面法分析非线性系统 305

7.5.2 由相平面图求取系统的时间解 309

7.6 例题精解 310

学习指导与小结 320

习题 321

第八章 离散控制系统 325

8.1 引言 325

8.1.1 离散系统的基本概念 325

8.1.2 离散系统的定义及常用术语 327

8.1.3 离散系统的特点 328

8.2 采样过程和采样定理 329

8.2.1 采样过程的数学描述 329

8.2.2 采样信号频谱分析 331

8.2.3 采样定理 333

8.3 信号恢复 335

8.3.1 零阶保持器 336

8.3.2 一阶保持器 338

8.4 z变换 340

8.4.1 z变换的定义 341

8.4.2 求z变换的方法 342

8.4.3 z变换的性质 346

8.4.4 z反变换 352

8.5 离散系统的数学模型 357

8.5.1 差分方程 357

8.5.2 脉冲传递函数 369

8.5.3 离散系统结构图等效变换 373

8.5.4 z变换法的适用范围及推广 382

8.6 离散系统的时域分析 388

8.6.1 离散系统的稳定性 388

8.6.2 离散系统的瞬态质量 394

8.6.3 离散系统的稳态误差 401

8.7 离散系统的数学校正 405

8.7.1 数字控制器的脉冲传递函数 405

8.7.2 最少拍系统及其设计 407

8.8 例题精解 421

学习指导与小结 431

习题 436

附录1拉普拉斯变换 441

附录2 MATLAB简介 447

参考文献 452