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前言 1

第1章 绪论 1

1．1 机械工程控制理论研究的对象与任务 2

1．2 系统的基本概念 2

1．2．1 自动控制系统工作原理 2

1．2．2 系统的分类 5

1．2．3 反馈控制系统的基本组成 6

1．2．4 名词术语 7

1．3 对控制系统的基本要求 8

1．4 本课程的特点及学习方法 8

习题 9

第2章 系统的数学模型 10

2．1 引言 10

2．1．1 系统的数学模型 10

2．1．2 线性系统 10

2．1．3 非线性系统 11

2．2 线性微分方程式的建立 12

2．2．1 建立线性微分方程式的步骤 12

2．2．2 举例 12

2．3 非线性系统的线性化 15

2．4 拉普拉斯变换 18

2．4．1 拉普拉斯变换的定义 18

2．4．2 拉氏变换的主要定理 21

2．4．3 拉普拉斯反变换 24

2．4．4 用拉氏变换解常系数线性微分方程 28

2．5 传递函数 28

2．5．1 传递函数的概念 28

2．5．2 典型环节的传递函数 29

2．6 方块图及其应用 34

2．6．1 方块图单元、相加点和分支点 34

2．6．2 方块图基本连接方式 35

2．6．3 绘制系统方块图的方法 37

2．6．4 方块图的变换法则 38

2．6．5 系统传递函数的求法 39

2．7 信号流程图及梅逊公式 41

2．7．1 信号流程图 41

2．7．2 定义 41

2．7．3 系统信号流程图的画法 42

2．7．4 梅逊公式 43

2．8 利用MATLAB语言进行部分分式展开 44

习题 46

第3章 时间特性分析法 49

3．1 时间响应与典型输入信号 49

3．1．1 时间响应的概念 49

3．1．2 典型输入信号 50

3．1．3 瞬态响应的性能指标 51

3．2 一阶系统的瞬态响应 52

3．2．1 一阶系统的数学模型 52

3．2．2 一阶系统的单位阶跃响应 53

3．2．3 一阶系统的单位斜坡响应 54

3．2．4 一阶系统的单位脉冲响应 54

3．3 二阶系统的瞬态响应 56

3．3．1 二阶系统的数学模型 56

3．3．2 二阶系统的阶跃响应 56

3．3．3 二阶系统的单位斜坡响应 59

3．3．4 二阶系统的单位脉冲响应 59

3．3．5 二阶系统阶跃响应与极点的关系 61

3．3．6 二阶系统瞬态响应的性能指标计算 62

3．4 高阶系统的瞬态响应 67

3．5 时间特性的计算机求解 69

习题 74

第4章 频率特性分析法 76

4．1 频率特性的基本概念 76

4．1．1 频率特性及其物理意义 76

4．1．2 频率特性的求法 79

4．2 频率特性表示法 81

4．2．1 极坐标图（奈奎斯特图） 81

4．2．2 伯德图（Bode图 81

4．2．3 增益相位图（尼科尔斯图） 82

4．3 典型环节的频率特性 82

4．3．1 比例环节的频率特性 82

4．3．2 积分环节的频率特性 83

4．3．3 理想微分环节的频率特性 85

4．3．4 惯性环节的频率特性 86

4．3．5 一阶微分环节的频率特性 89

4．3．6 二阶振荡环节的频率特性 90

4．3．7 二阶微分环节的频率特性 94

4．4 控制系统开环伯德图和最小相位系统 95

4．4．1 控制系统开环伯德图 95

4．4．2 最小相位系统 97

4．5 闭环频率特性 98

4．5．1 由开环频率特性估计闭环频率特性 98

4．5．2 闭环系统频率特性的性能指标 100

4．6 由实测频率特性曲线确定系统传递函数 101

4．6．1 频率特性实验分析的步骤 101

4．6．2 由伯德图确定系统的传递函数 101

4．7 用MATLAB语言计算频率特性 104

4．7．1 极坐标图（奈奎斯特图 104

4．7．2 数频率特性图（伯德图 105

4．7．3 对数幅相频率特性图（尼科尔斯图） 106

习题 107

第5章 根轨迹法 109

5．1 绘制根轨迹的基本条件 109

5．1．1 基本分析 109

5．1．2 绘制根轨迹的基本条件 110

5．2 以K1为参数变量的根轨迹的绘制 111

5．2．1 根轨迹的起点 112

5．2．2 根轨迹的终点 113

5．2．3 根轨迹的对称性 113

5．2．4 根轨迹的渐近线 114

5．2．5 实轴上的根轨迹 115

5．2．6 根轨迹的出射角和入射角 115

5．2．7 根轨迹的分离点与会合点 116

5．2．8 根轨迹与虚轴的交点（此节可在学完第6章之后学习） 119

5．3 增加开环零极点对根轨迹的影响 121

5．3．1 增加零点的影响 121

5．3．2 增加极点的影响 123

5．4 利用MATLAB语言绘制系统的根轨迹 124

习题 125

第6章 控制系统的稳定性分析 126

6．1 控制系统稳定性的基本概念 126

6．1．1 稳定性概念 126

6．1．2 系统稳定的条件 126

6．2 劳斯稳定判据 128

6．2．1 劳斯稳定判据的必要条件 128

6．2．2 劳斯稳定判据的充要条件 129

6．2．3 劳斯判据的特殊情况 131

6．3 奈奎斯特稳定判据 133

6．3．1 奈奎斯特稳定判据简介 133

6．3．2 稳定裕度 136

6．3．3 伯德图判据 138

6．4 用MATLAB语言分析稳定性 140

6．4．1 代数稳定判断 140

6．4．2 用伯德图法判断系统稳定性 141

习题 142

第7章 控制系统的误差分析与计算 145

7．1 控制系统的稳态误差概念 145

7．2 输入引起的稳态误差 146

7．2．1 误差传递函数与稳态误差 146

7．2．2 静态误差系数 147

7．2．3 其他输入信号时的误差 150

7．3 存在扰动时的稳态误差 150

7．4 减小稳态误差的方法 153

7．5 利用MATLAB语言计算系统的稳态误差 155

习题 158

第8章 系统的设计与校正 160

8．1 系统的性能指标及校正方式 160

8．1．1 控制系统的性能指标分类 160

8．1．2 时域指标和频域指标的对应关系 160

8．1．3 系统设计的一般原则 164

8．1．4 设计方法 165

8．2 调整增益的校正 166

8．3 串联超前校正 167

8．3．1 串联超前校正的应用场合与校正效果 167

8．3．2 串联超前校正装置 168

8．3．3 利用伯德图进行串联超前校正 169

8．4 串联滞后校正 174

8．4．1 串联滞后校正应用场合与校正结果 174

8．4．2 串联滞后校正装置 174

8．4．3 应用举例 175

8．5 滞后-超前校正 179

8．5．1 串联滞后-超前校正应用场合与校正结果 179

8．5．2 串联滞后-超前校正装置 179

8．5．3 利用伯德图进行串联滞后-超前校正 180

8．5．4 应用举例 181

8．6 反馈校正 184

8．6．1 反馈的作用 184

8．6．2 串联校正与反馈校正的比较 185

习题 186

第9章 计算机采样控制系统 188

9．1 引言 188

9．2 信号的采样与保持 190

9．2．1 采样过程 190

9．2．2 采样定理 191

9．2．3 采样信号的保持 192

9．3 z变换和z反变换 194

9．3．1 z变换的定义 194

9．3．2 z变换方法 195

9．3．3 z变换的基本定理 196

9．3．4 z反变换 196

9．4 采样控制系统的数学模型 198

9．4．1 脉冲传递函数的定义与求解 198

9．4．2 开环采样系统的脉冲传递函数 199

9．5 采样控制系统的性能分析 203

9．5．1 采样控制系统的稳定性分析 203

9．5．2 采样系统极点分布与瞬态响应的关系 204

9．5．3 采样系统的稳态误差 205

9．6 用MATLAB语言设计数字控制系统 207

习题 209

部分习题参考答案 211

参考文献 219