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第1章 自动控制系统的基本概念 1

1.1 自动控制系统的定义 1

1.2 自动控制系统的分类 4

1.2.1 运动与过程控制系统 4

1.2.2 开环与闭环控制系统 4

1.2.3 定值、随动与程序控制系统 6

1.2.4 线性与非线性控制系统 7

1.2.5 连续与离散控制系统 8

1.3 自动控制系统的性能评价 8

1.4 自动控制理论的发展概况 10

小结 13

习题 13

第2章 控制系统的建模 15

2.1 控制系统微分方程的建立 16

2.1.1 简单系统微分方程的建立 16

2.1.2 复杂系统微分方程的建立 18

2.2 非线性数学模型的线性化 21

2.3 传递函数 24

2.3.1 传递函数的定义 24

2.3.2 传递函数的特点 25

2.3.3 传递函数与理想单位脉冲响应的关系 26

2.3.4 系统典型环节的传递函数 28

2.4 系统框图与传递函数 33

2.4.1 系统框图的组成 33

2.4.2 系统框图的建立 33

2.4.3 系统框图的等效变换 35

2.4.4 控制系统的传递函数 40

2.5 信号流图和梅逊公式的应用 42

2.5.1 信号流图的概念 42

2.5.2 信号流图的术语和性质 43

2.5.3 梅逊公式及其应用 45

2.6 利用MATLAB建立数学模型 48

小结 51

习题 51

第3章 控制系统的时域分析法 54

3.1 控制系统的时域评价 54

3.1.1 典型输入信号 54

3.1.2 控制系统时域性能指标 57

3.2 一阶系统的时域分析 59

3.2.1 一阶系统的数学模型 59

3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应 59

3.2.3 一阶系统的单位斜坡响应 61

3.2.4 一阶系统的单位抛物线响应 61

3.2.5 一阶系统的单位脉冲响应 62

3.3 二阶系统的时域分析 62

3.3.1 二阶系统的数学模型 62

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应 64

3.3.3 欠阻尼二阶系统的性能分析 67

3.3.4 二阶系统的单位脉冲响应 71

3.3.5 二阶工程最佳参数 72

3.4 高阶系统的时域分析 73

3.4.1 高阶系统的单位阶跃响应 74

3.4.2 闭环主导极点 75

3.5 线性系统的稳定性分析 75

3.5.1 稳定性的基本概念 76

3.5.2 线性系统稳定的充分必要条件 77

3.5.3 线性系统稳定的必要条件 78

3.5.4 劳斯稳定判据 78

3.5.5 赫尔维兹稳定判据 81

3.5.6 劳斯判据的应用 82

3.6 控制系统的稳态误差 84

3.6.1 稳态误差的定义 84

3.6.2 系统类型与输入作用下的稳态误差 85

3.6.3 扰动作用下的稳态误差 88

3.6.4 提高系统稳态精度的方法 90

3.7 MATLAB在时域分析法中的应用 90

3.7.1 单位脉冲响应和单位阶跃响应 90

3.7.2 单位斜坡响应 92

3.7.3 任意函数作用下系统的响应 93

3.7.4 Simulink中时域响应举例 95

小结 96

习题 96

第4章 控制系统的根轨迹法 99

4.1 根轨迹的介绍 99

4.1.1 根轨迹的基本概念 99

4.1.2 根轨迹与系统性能 100

4.1.3 根轨迹的幅值条件和相角条件 101

4.1.4 根轨迹增益与系统开环增益的关系 102

4.2 绘制根轨迹的基本法则 103

4.3 广义根轨迹的绘制 114

4.3.1 参量根轨迹 114

4.3.2 零度根轨迹 117

4.4 用根轨迹分析闭环控制系统的性能 120

4.4.1 用根轨迹分析系统的稳定性 120

4.4.2 用根轨迹分析系统的动态性能 121

4.4.3 用根轨迹分析系统的稳态性能 122

4.4.4 附加开环零、极点的作用 124

4.5 MATLAB在根轨迹法中的应用 126

小结 131

习题 131

第5章 控制系统的频域响应法 135

5.1 频率特性 135

5.1.1 频率特性的基本概念 135

5.1.2 由传递函数确定系统的频域响应 137

5.2 对数坐标图 139

5.2.1 典型因子的伯德图 140

5.2.2 绘制开环系统伯德图的一般步骤 148

5.2.3 最小相位系统与非最小相位系统 149

5.2.4 系统的类型与对数幅频特性曲线低频渐近线的对应关系 151

5.3 极坐标图 153

5.3.1 典型因子的乃氏图 153

5.3.2 极坐标图的一般形状 157

5.4 频域稳定判据 160

5.4.1 幅角原理 160

5.4.2 乃奎斯特稳定判据 162

5.4.3 乃奎斯特判据应用于滞后系统 168

5.5 相对稳定性分析 170

5.5.1 增益裕量 171

5.5.2 相位裕量 171

5.5.3 相对稳定性与对数幅频特性中频段斜率的关系 173

5.6 频域性能指标与时域性能指标间的关系 175

5.6.1 闭环频域特性及其特征量 175

5.6.2 二阶系统时域响应与频域响应的关系 177

5.7 传递函数的实验确定 181

5.8 MATLAB在频域响应法中的应用 182

5.8.1 用MATLAB绘制伯德图 183

5.8.2 用MATLAB绘制乃奎斯特图 186

小结 190

习题 191

第6章 控制系统的校正 195

6.1 系统的设计与校正问题 195

6.1.1 被控对象 195

6.1.2 性能指标 195

6.1.3 系统带宽的确定 197

6.1.4 系统校正方式 198

6.2 线性系统的基本控制规律 199

6.2.1 比例控制规律 200

6.2.2 比例-微分控制规律 200

6.2.3 积分控制规律 200

6.2.4 比例-积分控制规律 201

6.2.5 比例-积分-微分控制规律 201

6.3 串联校正 202

6.3.1 超前校正 203

6.3.2 滞后校正 208

6.3.3 滞后-超前校正 214

6.4 反馈校正 220

6.4.1 利用反馈校正改变局部结构和参数 221

6.4.2 利用反馈校正取代局部结构 222

6.5 复合校正 223

6.5.1 前馈校正与反馈控制组成的复合控制 223

6.5.2 扰动补偿校正与反馈控制组成的复合控制 225

6.6 MATLAB在串联校正中的应用 226

小结 233

习题 234

第7章 非线性控制系统 236

7.1 非线性控制系统概述 236

7.1.1 研究非线性控制理论的意义 236

7.1.2 非线性系统的特征 238

7.1.3 非线性系统的分析与设计方法 240

7.2 常见非线性及其对系统运动的影响 241

7.2.1 非线性特性的等效增益 241

7.2.2 常见非线性因素对系统运动的影响 243

7.3 描述函数 245

7.3.1 描述函数的基本概念 246

7.3.2 非线性元件描述函数的举例 247

7.3.3 用描述函数法分析非线性控制系统 252

7.4 相平面法 255

7.4.1 相平面的基本概念 255

7.4.2 线性二阶系统的相轨迹 256

7.4.3 绘制相平面图的等倾斜线法 258

7.4.4 非线性系统的相平面分析 260

7.5 MATLAB在相平面分析中的应用 265

小结 269

习题 270

第8章 离散控制系统 272

8.1 离散控制系统的概念 272

8.2 信号的采样与复现 275

8.2.1 采样过程 275

8.2.2 采样定理 276

8.2.3 零阶保持器 278

8.3 Z变换与Z反变换 280

8.3.1 Z变换 280

8.3.2 Z变换的基本性质 283

8.3.3 Z反变换 286

8.4 脉冲传递函数 288

8.4.1 串联环节的脉冲传递函数 289

8.4.2 闭环系统的脉冲传递函数 291

8.5 差分方程 295

8.5.1 差分的定义 295

8.5.2 差分方程概述 295

8.5.3 用Z变换法求解差分方程 296

8.5.4 用迭代法求解差分方程 297

8.6 离散控制系统的性能分析 299

8.6.1 离散控制系统的稳定性分析 299

8.6.2 闭环极点与瞬态响应的关系 302

8.6.3 离散系统的稳态误差 305

8.7 MATLAB在离散控制系统中的应用 307

8.7.1 利用Simulink分析和设计离散控制系统 307

8.7.2 利用MATLAB函数分析和设计离散控制系统 312

8.7.3 利用SISO分析工具分析和设计离散控制系统 312

小结 314

习题 314

参考文献 317