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第1章 绪论 1

1.1 自动控制的基本概念 1

1.1.1 自动控制系统及其组成 1

1.1.2 自动控制系统的分类 3

1.2 控制理论的发展及其在机械制造业中的应用 6

1.2.1 控制理论的发展 6

1.2.2 控制理论在机械制造业中的应用 7

1.3 自动控制的基本要求及课程任务 9

1.3.1 自动控制的基本要求 9

1.3.2 课程任务 10

习题 10

第2章 控制系统的数学模型 13

2.1 系统的微分方程 14

2.1.1 机电控制系统常用元件的物理定律 14

2.1.2 列写微分方程的一般方法 16

2.2 非线性微分方程的线性化 18

2.3 拉普拉斯变换 19

2.3.1 复变函数的概念 20

2.3.2 拉普拉斯变换 20

2.3.3 拉氏变换的性质 21

2.3.4 拉普拉斯反变换 23

2.3.5 拉普拉斯变换解微分方程 27

2.4 传递函数 27

2.4.1 传递函数的定义与求取方法 28

2.4.2 典型环节的传递函数 29

2.5 系统传递函数方框图及简化 33

2.5.1 方框图的结构要素 33

2.5.2 系统方框图的建立 34

2.5.3 系统方框图的简化 35

2.6 控制系统的传递函数推导举例 37

2.7 数学模型的MATLAB实现 41

2.7.1 MATLAB简介 41

2.7.2 控制系统在MATLAB中的描述 41

2.7.3 用MATLAB展开部分分式 42

2.7.4 用MATLAB求系统传递函数 43

习题 44

第3章 控制系统的时域响应分析方法 48

3.1 时域响应及典型输入信号 48

3.1.1 时域响应概述 48

3.1.2 典型输入信号 49

3.1.3 典型输入信号选择 50

3.2 一阶系统的时域响应 50

3.2.1 一阶系统的单位阶跃响应 50

3.2.2 一阶系统的单位斜坡响应 51

3.2.3 一阶系统的单位脉冲响应 51

3.3 二阶系统的时域响应 52

3.3.1 二阶系统的单位阶跃响应 52

3.3.2 欠阻尼二阶系统的时域性能指标 55

3.4 控制系统的稳定性分析 59

3.4.1 稳定性的概念 59

3.4.2 系统稳定的充要条件 60

3.4.3 劳斯（Routh）判据 61

3.5 控制系统的稳态误差分析 64

3.5.1 误差、偏差和稳态误差 64

3.5.2 控制系统的分类与偏差传递函数 65

3.5.3 参考输入作用下系统的稳态偏差 66

3.5.4 干扰作用下系统的稳态偏差 68

3.6 基于MATLAB的时域分析 70

3.6.1 借助MATLAB绘制系统各种输入的响应曲线 70

3.6.2 利用MATLAB求系统时域性能指标 72

3.6.3 利用MATLAB判断系统的稳定性 73

习题 74

第4章 控制系统的根轨迹法 80

4.1 根轨迹的基本概念 80

4.2 根轨迹的幅值条件与相角条件 81

4.3 绘制根轨迹的基本法则 83

4.4 控制系统的根轨迹绘制与分析举例 88

4.4.1 根轨迹绘制举例 88

4.4.2 根轨迹分析举例 91

4.5 参数根轨迹 95

4.6 基于MATLAB的根轨迹分析 96

4.6.1 pzmap命令 96

4.6.2 rlocus命令 96

4.6.3 rlocfind和sgrid命令 97

习题 98

第5章 控制系统的频域分析方法 100

5.1 频率特性的基本概念 100

5.1.1 频率响应与频率特性 100

5.1.2 频率特性的表示方法 104

5.2 幅相频率特性图 106

5.2.1 极坐标图 107

5.2.2 典型环节的极坐标图 107

5.2.3 开环系统极坐标图的绘制 113

5.3 对数频率特性图 116

5.3.1 典型环节的伯德图 116

5.3.2 开环系统伯德图的绘制 124

5.3.3 由频率特性确定传递函数 127

5.4 频域稳定判据 128

5.4.1 幅角定理 129

5.4.2 奈奎斯特（Nyquist）稳定判据 129

5.4.3 对数稳定判据 133

5.4.4 相对稳定性 133

5.5 基于MATLAB的频域分析 135

5.5.1 借助MATLAB绘制奈奎斯特图 135

5.5.2 借助MATLAB绘制伯德图 136

5.5.3 借助MATLAB分析系统的相对稳定性 137

习题 138

第6章 控制系统的综合与校正方法 141

6.1 系统校正的基本概念 141

6.1.1 控制系统的性能指标 141

6.1.2 校正的概念 142

6.1.3 校正的方式 143

6.1.4 期望伯德图 145

6.2 串联校正 146

6.2.1 串联超前校正网络 147

6.2.2 串联滞后校正网络 151

6.2.3 串联滞后-超前校正网络 153

6.3 反馈校正 156

6.3.1 反馈的功能 157

6.3.2 位置反馈校正 157

6.3.3 速度反馈校正 158

6.4 PID校正 158

6.4.1 比例控制器（P控制器） 159

6.4.2 比例-微分控制器（PD控制器） 160

6.4.3 积分控制器（I控制器） 162

6.4.4 比例-积分控制器（PI控制器） 162

6.4.5 比例-积分-微分控制器（PID控制器） 163

6.5 MATLAB在校正中的应用 165

6.5.1 串联超前校正 165

6.5.2 串联滞后校正 167

6.5.3 串联滞后-超前校正 169

习题 171

第7章 线性离散系统分析方法 173

7.1 线性离散系统概述 173

7.1.1 线性离散系统的基本结构与组成 173

7.1.2 线性离散系统的特点 175

7.1.3 线性离散系统的研究方法 175

7.2 信号的采样和保持 176

7.2.1 信号的采样 176

7.2.2 信号采样的数学描述 177

7.2.3 香农采样定理 179

7.2.4 采样周期的选取 179

7.2.5 信号的保持 180

7.3 Z变换理论 181

7.3.1 Z变换定义 181

7.3.2 Z变换方法 182

7.3.3 Z变换性质 182

7.3.4 Z反变换 184

7.4 离散系统的数学模型 187

7.4.1 离散系统的数学定义 187

7.4.2 线性常系数的差分方程及其解法 187

7.4.3 脉冲传递函数 189

7.4.4 开环系统脉冲传递函数 190

7.4.5 闭环系统脉冲传递函数 193

7.4.6 Z变换法的局限性 195

7.5 离散系统的稳定性与稳态误差 195

7.5.1 s域到z域的映射 195

7.5.2 离散系统稳定的充分必要条件 196

7.5.3 离散系统的稳定性判据 197

7.5.4 离散系统的稳态误差 199

7.5.5 离散系统的型别与静态误差系数 200

7.5.6 离散系统的动态性能分析 201

7.6 离散系统分析的MATLAB方法 202

习题 203

附录 常用函数的拉氏变换和Z变换表 205

参考文献 206