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第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.1.1 自动控制理论发展简史 2

1.1.2 控制工程实践 2

1.2 反馈控制的基本原理 4

1.2.1 人工控制与自动控制 4

1.2.2 反馈控制系统的基本组成和常用术语 5

1.2.3 自动控制系统的基本控制方式 7

1.3 自动控制系统工程实例 9

1.3.1 电冰箱制冷控制系统 9

1.3.2 倒立摆控制系统 10

1.3.3 位置随动控制系统 11

1.3.4 移动机器人控制系统 12

1.4 自动控制系统分类 13

1.4.1 按描述系统的数学模型分类 13

1.4.2 按系统传输信号的性质分类 14

1.4.3 按输入信号r（t）的变换规律分类 14

1.5 控制系统设计概述 14

1.5.1 对控制系统的基本要求 14

1.5.2 自动控制系统的设计原则 16

习题一 17

第2章 控制系统的数学模型 19

2.1 系统的微分方程 19

2.1.1 列写物理系统的微分方程 19

2.1.2 控制系统微分方程的建立 23

2.1.3 非线性微分方程的线性化 24

2.2 传递函数 25

2.2.1 传递函数的概念和求取 25

2.2.2 单位脉冲响应 29

2.2.3 典型环节的传递函数和单位阶跃响应 30

2.3 结构图 34

2.3.1 结构图的组成和绘制 35

2.3.2 方框图的基本连接与等效变换 37

2.4 控制系统的传递函数 42

2.4.1 系统的开环传递函数 42

2.4.2 闭环系统的传递函数 43

2.4.3 系统的误差传递函数 43

2.4.4 常用控制器的传递函数 45

2.5 信号流图 46

2.5.1 信号流图的术语 47

2.5.2 信号流图的基本性质 48

2.5.3 梅森增益公式的应用 48

2.6 控制系统建模实例 50

2.6.1 一级倒立摆系统的建模 50

2.6.2 用MATLAB处理数学模型 52

2.6.3 不同形式模型之间的相互转换 53

2.7 小结 54

习题二 54

第3章 线性控制系统的时域分析法 58

3.1 系统时间响应的性能指标 58

3.1.1 典型输入信号 58

3.1.2 动态性能与稳态性能 60

3.2 控制系统的时域分析 61

3.2.1 一阶系统时域分析 61

3.2.2 二阶系统时域分析 63

3.2.3 高阶系统时域分析 73

3.3 线性系统稳定性分析 75

3.3.1 稳定性的基本概念 76

3.3.2 劳斯（Routh）稳定判据 77

3.3.3 稳定判据的应用 80

3.4 线性系统的稳态误差分析 82

3.4.1 误差与稳态误差的基本概念 82

3.4.2 系统的类型 83

3.4.3 典型输入信号作用下的稳态误差 83

3.4.4 扰动作用下的稳态误差 86

3.4.5 减小或消除稳态误差的措施 88

3.5 MATLAB在时域分析与设计中的应用 89

3.5.1 用MATLAB分析系统的时域响应 89

3.5.2 用MATLAB分析系统的稳定性及稳态误差 94

3.5.3 用MATLAB分析一级倒立摆系统的时域响应 95

3.6 小结 96

习题三 97

第4章 线性控制系统的根轨迹分析法 101

4.1 根轨迹的基本概念 101

4.1.1 根轨迹的概念 101

4.1.2 根轨迹与系统性能 102

4.1.3 闭环零、极点与开环零、极点的关系 103

4.1.4 根轨迹方程 104

4.2 根轨迹绘制的基本法则 105

4.3 广义根轨迹 113

4.3.1 参数根轨迹 113

4.3.2 零度根轨迹 114

4.4 用根轨迹法分析控制系统性能 116

4.4.1 用闭环零、极点表示的阶跃响应表达式 116

4.4.2 闭环零、极点分布与阶跃响应的定性关系 117

4.4.3 利用主导极点估算系统性能指标 118

4.5 基于MATLAB的根轨迹分析 120

4.5.1 绘制系统根轨迹图的MATLAB命令 120

4.5.2 一级倒立摆系统的根轨迹分析 122

4.6 小结 123

习题四 124

第5章 线性控制系统的频域分析法 126

5.1 频率特性 126

5.1.1 频率响应的基本概念 126

5.1.2 频率特性的表示方法 129

5.2 极坐标图 130

5.2.1 典型环节的极坐标图 131

5.2.2 开环系统的极坐标图 136

5.3 对数坐标图 140

5.3.1 典型环节的对数坐标图 140

5.3.2 开环对数频率特性曲线 147

5.3.3 最小相位系统和非最小相位系统 151

5.3.4 系统类型与开环对数幅频特性的关系 152

5.4 奈奎斯特稳定判据 154

5.4.1 开环与闭环系统零、极点间的关系 154

5.4.2 幅角原理 155

5.4.3 奈奎斯特稳定判据 158

5.4.4 奈奎斯特稳定判据在Bode图上的应用 163

5.5 相对稳定性分析 166

5.5.1 幅值裕度 166

5.5.2 相角裕度 168

5.5.3 基于开环对数频率特性的闭环系统性能分析 169

5.6 闭环频率特性与时域性能指标的关系 172

5.6.1 闭环频率特性指标 172

5.6.2 闭环频域指标和时域性能指标的关系 175

5.7 基于MATLAB的频率特性分析 177

5.7.1 利用MATLAB绘制伯德图 177

5.7.2 利用MATLAB绘制奈氏图 180

5.7.3 一级倒立摆系统的频域法分析 182

5.8 小结 183

习题五 184

第6章 线性控制系统的校正 189

6.1 引言 189

6.1.1 校正及校正装置 189

6.1.2 校正的方法 189

6.1.3 系统的性能指标 190

6.2 常用校正装置及其特性 191

6.2.1 超前校正装置 191

6.2.2 滞后校正装置 193

6.2.3 滞后-超前校正装置 193

6.3 根轨迹法设计串联校正 195

6.3.1 超前校正的根轨迹法设计 195

6.3.2 滞后校正的根轨迹法设计 199

6.3.3 滞后-超前校正的根轨迹法设计 201

6.4 频率法设计串联校正 204

6.4.1 超前校正的频率法设计 204

6.4.2 滞后校正的频率法设计 207

6.4.3 滞后-超前校正的频率法设计 209

6.5 PID控制器 212

6.5.1 PID控制器原理 213

6.5.2 PID校正的参数整定法设计 214

6.6 一级倒立摆系统的频域分析与设计 218

6.6.1 采用超前校正装置设计 219

6.6.2 采用滞后-超前校正装置设计 221

6.7 小结 222

习题六 223

第7章 线性离散控制系统 226

7.1 概述 226

7.1.1 离散控制系统的基本概念 226

7.1.2 离散控制系统的分析与校正设计方法 227

7.2 信号采样与保持 227

7.2.1 信号采样 227

7.2.2 零阶保持器 229

7.3 离散系统的数学模型 231

7.3.1 Z变换 231

7.3.2 Z反变换 235

7.3.3 差分方程 237

7.3.4 脉冲传递函数 238

7.4 离散控制系统的性能分析 244

7.4.1 离散系统稳定性分析 244

7.4.2 离散控制系统的动态性能分析 248

7.4.3 离散控制系统的稳态误差分析 250

7.5 采样系统设计 252

7.5.1 最小拍采样系统设计 253

7.5.2 有限拍采样系统设计 254

7.6 MATLAB在离散控制系统分析中的应用 257

7.6.1 离散系统的数学模型 257

7.6.2 离散系统的时域分析 259

7.7 小结 260

习题七 261

第8章 非线性控制系统分析 264

8.1 非线性系统概述 264

8.1.1 典型非线性特性 264

8.1.2 非线性系统的特点 267

8.1.3 非线性控制系统的分析研究方法 268

8.2 相平面法 268

8.2.1 相平面的基本概念 268

8.2.2 相轨迹的性质 269

8.2.3 相轨迹的绘制 270

8.2.4 奇点与极限环 271

8.2.5 非线性系统的相平面分析法 274

8.3 描述函数法 277

8.3.1 描述函数的基本概念 277

8.3.2 典型非线性元件的描述函数 278

8.3.3 用描述函数法分析非线性控制系统 281

8.4 MATLAB在非线性控制系统中的应用 283

8.5 小结 285

习题八 286

第9章 自动控制理论的应用实例 288

9.1 磁悬浮控制系统设计 288

9.1.1 磁悬浮系统的应用背景 288

9.1.2 磁悬浮系统的基本组成与工作原理 289

9.1.3 磁悬浮系统的数学建模 289

9.1.4 磁悬浮系统的控制器设计 292

9.1.5 基于MATLAB的磁悬浮系统设计 294

9.2 移动机器人控制系统设计 297

9.2.1 移动机器人控制系统的应用背景 297

9.2.2 移动机器人系统的基本组成与工作原理 298

9.2.3 移动机器人系统的数学建模 299

9.2.4 移动机器人系统的控制器设计 299

9.2.5 移动机器人实物实验 305

9.3 直流电动机调速系统设计 306

9.3.1 直流电动机调速系统简介 306

9.3.2 直流调速系统的工作原理 307

9.3.3 闭环直流调速系统的数学模型 308

9.3.4 闭环直流调速系统的设计实例 311

9.4 小结 316

附录A 拉普拉斯变换 317

A.1 拉普拉斯变换的概念 317

A.2 拉普拉斯反变换 320

A.3 拉普拉斯变换求解微分方程 323

附录B MATLAB常用控制系统命令索引 325

附录C 自动控制原理的常用技术术语中英文对照 330

参考文献 334