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第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 自动控制系统的构成 1

1.3 闭环控制和开环控制 3

1.4 控制系统的分类 4

1.4.1 恒值调节系统和随动系统 4

1.4.2 线性系统和非线性系统 4

1.4.3 定常系统和时变系统 5

1.4.4 连续系统和离散系统 5

第2章 控制系统的数学描述 7

2.1 引言 7

2.2 列写输入—输出运动方程 7

2.2.1 机械系统 8

2.2.2 电路系统 11

2.2.3 机电系统 12

2.2.4 液位系统 13

2.3 .传递函数与系统框图 14

2.3.1 传递函数 14

2.3.2 方框图 15

2.3.3 典型环节的传递函数 18

2.3.4 方框图化简 22

2.4 信号流图与梅逊公式 24

2.4.1 信号流图 24

2.4.2 梅逊公式 26

2.5 频率特性函数 29

2.5.1 频率特性函数的定义 29

2.5.2 频率特性的图示方法 30

2.5.3 典型环节的频率特性 34

2.5.4 复杂频率特性图的绘制 41

2.6 状态空间模型 47

2.6.1 状态 47

2.6.2 状态空间 48

2.6.3 状态方程和输出方程 48

2.6.4 状态空间模型与输入—输出模型之间的关系 53

2.7 采样控制系统的数学描述 59

2.7.1 采样控制系统 59

2.7.2 信号采样与恢复 61

2.7.3 采样系统的差分方程描述 64

2.7.4 Z变换 66

2.7.5 脉冲传递函数 71

2.7.6 离散系统的状态空间模型 76

习题 78

第3章 基于系统辨识的建模方法 86

3.1 系统辨识的基本概念 86

3.1.1 系统辨识问题 86

3.1.2 系统辨识的任务及分类 87

3.1.3 系统辨识的基本步骤 87

3.2 最小二乘参数估计 88

3.2.1 最小二乘法原理 89

3.2.2 最小二乘估计的批处理算法 91

3.2.3 最小二乘估计量的统计性质 93

3.3 最小二乘参数估计的递推算法及其推广 94

3.3.1 最小二乘估计的递推算法 94

3.3.2 最小二乘估计的渐消记忆递推算法 97

3.3.3 参数个数的递推 99

3.4 系统建模的计算机仿真算法 101

3.4.1 模型的阶次与阶次辨识 101

3.4.2 损失函数检验法 102

3.4.3 系统建模的计算机仿真算法步骤 104

习题 104

第4章 控制系统的稳定性分析 106

4.1 稳定性的概念和定义 106

4.2 线性系统稳定的充分必要条件 110

4.2.1 状态空间模型 110

4.2.2 输入—输出模型 111

4.2.3 离散控制系统 113

4.3 系统稳定性的代数判据 115

4.3.1 连续系统稳定性的代数叛据及其应用 115

4.3.2 离散系统稳定性的代数判据 123

4.4 根轨迹图及系统稳定性分析 128

4.4.1 根轨迹图的基本概念 129

4.4.2 幅值条件和幅角条件 130

4.4.3 绘制根轨迹的基本法则 132

4.4.4 根轨迹图的绘制及系统稳定性分析 141

4.5 奈奎斯特稳定性判据 145

4.5.1 幅角定理 145

4.5.2 奈奎斯特稳定性判据 149

4.5.3 开环系统含有积分环节时判据的应用 153

4.5.4 奈奎斯特稳定性判据在波德图中的表示形式 156

4.5.5 稳定裕度 157

4.6 利用MATLAB进行稳定性绘图分析 161

习题 164

第.5章. 控制系统的时域运动性能分析 169

5.1 典型输入信号 169

5.2 控制系统时域响应的求解 171

5.2.1 利用传递函数求解输出响应 172

5.2.2 利用Ｚ变换法求解差分方程的输出响应 174

5.2.3 利用状态空间模型求解线性定常系统 176

5.2.4 利用状态空间模型求解线性离散系统 187

5.3 控制系统瞬态性能分析 191

5.3.1 瞬态性能指标 191

5.3.2 一阶系统瞬态性能分析 193

5.3.3 典型二阶系统瞬态性能分析 195

5.3.4 高阶系统瞬态性能分析 212

5.4 控制系统稳态性能分析 214

5.4.1 控制系统的误差与稳态误差 214

5.4.2 误差的数学模型 216

5.4.3 稳态误差分析与静态误差系数 217

5.4.4 控制系统的动态误差 223

5.4.5 扰动输入作用下的稳态误差 227

5.4.6 减小或消除稳态误差的措施 229

5.4.7 离散系统的稳态误差 230

5.5 利用MATLAB进行时域分析 234

5.5.1 MATLAB时域响应命令 234

5.5.2 时域响应命令的应用 236

5.5.3 SIMULINK仿真简介 241

习题 246

第6章 系统校正方法 251

6.1 引言 251

6.2 系统校正的根轨迹法 253

6.2.1 增加零、极点对根轨迹的影响 253

6.2.2 根轨迹校正举例 255

6.2.3 校正装置的实现 260

6.3 系统校正的频率响应法 261

6.3.1 开环频率特性与时域性能指标间的关系 261

6.3.2 频率特性法校正举例 265

6.4.基本控制规律分析 274

6.4.1 比例控制规律 274

6.4.2 积分控制规律 275

6.4.3 比例加积分控制规律 276

6.4.4 比例加微分控制规律 277

6.4.5 比例加积分加微分控制规律 278

6.4.6 PID控制器的参数调整 280

6.5 局部反馈校正 281

6.6 离散系统的数学校正 285

6.6.1 概述 285

6.6.2 离散系统校正的根轨迹法 285

6.6.3 离散系统校正的频域法 286

6.6.4 离散系统的最少拍校正法 288

习题 294

第7章 线性控制系统的状态空间分析与综合 297

7.1 特征值规范型 297

7.1.1 对角线规范型 297

7.1.2 约当规范型 301

7.2 状态能控性 305

7.2.1 状态能控性定义 305

7.2.2 能控性判据 307

7.3 状态能观性 313

7.3.1 状态能观性定义 313

7.3.2 能观性判据 314

7.3.3 对偶原理 317

7.4 离散系统的能控性和能观性 317

7.5 控制系统的结构分解 318

7.5.1 按能控性分解 318

7.5.2 按能观性分解 324

7.5.3 按能控性和能观性分解 327

7.6 能控规范型和能观规范型 329

7.6.1 能控规范型 330

7.6.2 能观规范型 331

7.7 状态反馈与输出反馈 333

7.7.1 状态反馈和输出反馈的概念 333

7.7.2 状态反馈和输出反馈对系统能控性和能观性的影响 335

7.8 闭环系统的极点配置 336

7.8.1 极点配置问题 336

7.8.2 极点配置定理 338

7.8.3 极点配置的阿克曼(Ackermann)公式 342

7.8.4 基于输出反馈的极点配置 344

7.8.5 镇定问题 345

7.9 状态观测器设计 348

7.9.1 全维状态观测器 348

7.9.2 降维观测器 352

7.10 带有状态观测器的反馈控制系统 356

习题 360

第8章 非线性控制系统 365

8.1 概述 365

8.2 描述函数法 370

8.3 相平面法 387

8.4 利用非线性特性改善系统的性能 408

习题 409

参考文献 414