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第1章 绪论 1

1.1自动控制理论简介 1

一、历史回顾 1

二、控制系统的基本概念与举例 2

三、控制系统的基本组成 6

1.2闭环控制和开环控制 7

一、反馈控制系统 7

二、开环控制系统 7

三、闭环控制系统 8

四、开环与闭环控制系统的比较 8

1.3自动控制系统的基本类型 9

一、线性控制系统和非线性控制系统 9

二、恒值控制系统和随动控制系统 10

三、连续控制系统和离散控制系统 10

1.4对控制系统性能的基本要求 11

1.5本课程的性质和任务 12

习题 12

第2章 系统的数学模型 14

2.1系统的微分方程 14

一、概述 14

二、建立系统微分方程的一般步骤 15

三、非线性系统的线性化 19

2.2系统的传递函数 21

一、传递函数的概念 21

二、传递函数的性质 23

三、传递函数的求法 24

四、传递函数的标准形式 25

2.3典型环节的传递函数 25

一、比例环节 26

二、积分环节 26

三、微分环节 27

四、惯性环节 28

五、振荡环节 29

六、延时环节 30

2.4系统传递函数方框图 31

一、方框图的基本概念 31

二、绘制方框图的步骤及方框图的特点 32

三、方框图的简化 34

四、梅逊公式 43

五、扰动作用下的闭环系统 44

2.5用MATLAB求串联、并联和反馈（闭环）传递函数 45

一、线性系统的MATLAB表示 45

二、用MATLAB求串联、并联和反馈（闭环）传递函数 48

习题 50

第3章 瞬态响应和稳态响应分析 55

3.1时间响应的组成及典型输入信号 55

一、时间响应的组成 55

二、典型输入信号 56

3.2一阶系统的时域分析 58

一、一阶系统的数学模型 58

二、一阶系统的单位脉冲响应 59

三、一阶系统的单位阶跃响应 59

四、一阶系统的单位斜坡响应 61

五、线性定常系统的重要特性 62

3.3二阶系统的时域分析 63

一、二阶系统传递函数的标准形式 63

二、二阶系统的单位阶跃响应 64

三、二阶系统的瞬态响应性能指标 67

3.4用MATLAB进行瞬态响应分析 73

一、标准二阶系统单位阶跃响应的MATLAB求解 73

二、用MATLAB作单位阶跃响应曲线的三维图 74

三、用MATLAB求上升时间、峰值时间、 最大超调量和调整时间 76

四、用MATLAB求单位脉冲响应、单位斜坡响应及任意输入信号的响应 77

3.5稳态误差与偏差 78

一、系统的误差与偏差 79

二、系统的稳态误差与稳态偏差 80

三、系统的类型 81

四、静态偏差系数和稳态偏差的计算 81

五、扰动作用下的稳态偏差 84

习题 87

第4章 频率特性分析与系统辨识 92

4.1频率特性 92

一、频率特性的概念 92

二、频率特性与传递函数的关系 94

三、频率特性的表示法 95

4.2频率特性的极坐标图 96

一、系统频率特性的极坐标图—— Nyquist图 96

二、典型环节的Nyquist图 96

三、绘制频率特性Nyquist图的一般步骤 102

四、系统开环频率特性Nyquist图的一般形状 105

4.3频率特性的对数坐标图 110

一、频率特性的对数坐标图——Bode图 110

二、典型环节的Bode图 111

三、绘制Bode图的一般步骤 118

4.4最小相位系统和非最小相位系统 121

4.5频率特性的特征量 122

4.6 MATLAB在频率分析中的应用 126

一、用MATLAB作Nyquist图 126

二、用MATLAB作Bode图 128

4.7系统辨识 130

一、系统辨识概念 130

二、系统辨识举例 131

习题 134

第5章 系统稳定性 139

5.1稳定性的基本概念 139

一、稳定性的定义 139

二、稳定性充要条件 139

5.2劳斯稳定判据 140

一、系统稳定的必要条件 141

二、劳斯稳定判据 141

三、劳斯稳定判据特殊情况处理 144

5.3 Nyquist稳定判据 146

一、辅助函数 146

二、幅角原理 147

三、Nyquist稳定判据 148

四、开环具有积分环节时的Nyquist轨迹 151

五、Nyquist稳定判据举例 152

5.4对数稳定判据 154

一、穿越 154

二、Nyquist图和Bode图的对应关系 155

三、Bode稳定判据 156

四、Bode稳定判据举例 156

5.5系统的相对稳定性 157

一、相位裕度 157

二、幅值裕度 157

三、相对稳定性举例 158

5.6利用MATLAB分析系统的稳定性 159

习题 161

第6章 控制系统设计的频率响应法 164

6.1引言 164

一、控制系统设计的频率响应法 164

二、校正的概念 165

三、超前、滞后和滞后-超前校正的基本特性 165

6.2超前校正 166

一、超前校正装置的特性 166

二、串联超前校正 168

三、超前校正的特点 170

6.3滞后校正 171

一、滞后校正装置的特性 171

二、串联滞后校正 173

三、滞后校正的特点 175

6.4滞后-超前校正 175

一、滞后-超前校正装置的特性 175

二、串联滞后-超前校正 176

三、超前、滞后和滞后-超前校正的比较 178

6.5反馈校正 179

习题 180

第7章PID控制 184

7.1 PID基本控制规律 184

一、比例（P）控制规律 184

二、积分（I）控制规律 184

三、比例-微分（PD）控制规律 185

四、比例-积分（PI）控制规律 187

五、比例-积分-微分（PID）控制规律 189

7.2 PID控制器的设计 190

一、最优模型 190

二、设计举例 191

7.3 PID控制器的调整法则 193

一、PID控制器的调整 193

二、齐格勒—尼柯尔斯法则 193

7.4 PID控制方案的修正 197

一、PI-D控制 198

二、I-PD控制 198

习题 199

第8章 控制系统的状态空间分析 201

8.1状态空间法的基本概念 201

一、状态与状态变量 201

二、状态空间表达式 202

三、系统的传递函数矩阵 207

8.2由传递函数导出状态方程 207

一、传递函数无零点 208

二、传递函数有零点 210

三、基于MATLAB的系统模型转换 219

8.3线性定常系统状态方程的解 220

一、齐次方程的解 220

二、非齐次方程的解 221

三、状态转移矩阵的性质 222

四、eA1的计算方法 223

8.4可控性和可观测性 230

一、系统的可控性 231

二、系统的可观测性 233

习题 235

附录 拉普拉斯变换 239

A.1复变量和复变函数 239

一、复数和复变函数 239

二、欧拉定理 240

三、复变函数 240

A.2拉普拉斯变换 240

一、拉普拉斯变换 240

二、典型时间函数的拉普拉斯变换 241

三、拉普拉斯变换定理 243

A.3拉普拉斯反变换 247

参考文献 250