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第1章 绪论 1

1．1 控制系统的基本概念 1

1．1．1 开环控制系统 1

1．1．2 闭环控制系统 2

1．2 控制系统的工程应用 4

1．2．1 温度控制系统 4

1．2．2 硬磁盘中的磁头位置控制系统 5

1．2．3 火电厂电能生产综合控制系统 5

1．3 控制理论发展的简要回顾 6

1．4 控制系统的分析和设计 7

习题一 8

第2章 控制系统的数学模型 10

2．1 线性动态系统 10

2．2 传递函数与系统结构图 11

2．2．1 传递函数 11

2．2．2 传递函数结构图 12

2．2．3 典型环节的传递函数 15

2．2．4 结构图的变换 16

2．2．5 闭环控制系统的基本结构 18

2．3．1 信号流图 20

2．3 信号流图及Mason公式 20

2．3．2 Mason公式 22

2．4 状态空间模型 24

2．4．1 状态变量 25

2．4．2 状态空间方程 25

2．4．3 线性变换 27

2．5 传递函数与状态方程的转换 28

2．5．1 由状态空间方程到传递函数 28

2．5．3 由传递函数到状态空间方程 30

2．5．2 传递函数不变性 30

2．6 状态图 33

2．7 利用传递函数求解响应 37

2．8状态方程求解 39

习题二 41

第3章 控制系统的时域分析 47

3．1 系统的稳定性 47

3．1．1 Liapunov稳定 47

3．1．2 渐近稳定 48

3．1．3 BIBO稳定 49

3．2 Routh稳定判据 51

3．2．1 稳定判据 51

3．2．2 两种特例的处理 53

3．2．3 Routh判据的应用 55

3．3 稳态性能 57

3．3．1 测试输入信号 57

3．3．2 稳态误差的定义 57

3．3．3 稳态误差计算 58

3．3．4 干扰信号 62

3．3．5 灵敏度分析 64

3．4 动态响应 65

3．4．1 动态性能指标 65

3．4．2 1阶系统 66

3．4．3 2阶系统 67

3．4．4 高阶系统 71

3．4．5 高阶系统的简化 73

3．5 根轨迹法 74

3．5．1 根轨迹的概念 74

3．5．2 绘制根轨迹的条件 75

3．5．3 根轨迹绘制的规则 77

3．5．4 根轨迹的参数设计 84

3．5．5 添加零-极点对根轨迹的影响 85

习题三 87

第4章 控制系统的频域分析 92

4．1 系统的频率特性 92

4．2 Nyquist稳定判据 93

4．2．1 Cauchy幅角原理 93

4．2．2 Nyquist围线和Nyquist图 95

4．2．4 绘制Nyquist图和应用稳定判据的示例 97

4．2．3 Nyquist稳定判据 97

4．2．5 S右半平面的映射域与稳定性 105

4．3 对数频率特性法 107

4．3．1 典型环节的Bode图 108

4．3．2 系统Bode图的合成 112

4．3．3 对数幅频特性渐近线分段作图法 114

4．3．4 相频特性草图分段作图法 115

4．3．5 最小相位系统 117

4．4 稳定裕量 118

4．4．1 幅值裕量和相角裕量 118

4．4．2 稳定裕量与稳定性 119

4．4．3 幅值裕量和相角裕量计算示例 120

4．4．4 最小相位系统的幅频特性 123

4．5 闭环频率特性和带宽 126

习题四 127

第5章 反馈控制系统设计 131

5．1 系统设计方法 131

5．1．1 性能指标 131

5．2．1 PID校正 132

5．2 串联校正网络 132

5．1．2 校正装置 132

5．2．2 超前校正 134

5．2．3 滞后校正 136

5．2．4 滞后-超前校正 137

5．3 用根轨迹法设计校正网络 138

5．3．1 时域性能和期望极点 138

5．3．2 串联超前校正 139

5．3．3 串联滞后校正 142

5．4．1 频域指标和期望频率特性 145

5．4 用对数频率特性法设计校正网络 145

5．4．2 串联超前校正 146

5．4．3 串联滞后校正 149

5．4．4 串联滞后超前校正 151

习题五 153

第6章 状态变量反馈控制系统 156

6．1 能控性 156

6．1．1 能控性的定义 156

6．1．2 能控性判据 157

6．1．3 线性变换不改变能控性 158

6．1．4 能控标准型(SISO系统) 160

6．2 能观性 161

6．2．1 能观性的定义 161

6．2．2 能观性判据 161

6．3 能控性能观性与传递函数的零-极点对消 164

6．4 系统的能控性和能观性分解 166

6．5 状态反馈与极点配置 169

6．6 状态观测器 176

6．7 带观测器的状态反馈控制系统 179

习题六 182

7．1 信号采样和保持 185

第7章 数字控制系统 185

7．1．1 采样器 186

7．1．2 零阶保持器 186

7．2 Z变换 188

7．2．1 Z变换定义 188

7．2．2 Z变换的性质 190

7．2．3 Z反变换 191

7．3．1 差分方程 193

7．3 离散控制系统数学模型 193

7．3．2 脉冲传递函数 194

7．3．3 离散状态空间方程 195

7．3．4 连续系统传递函数的离散化 197

7．3．5 连续状态空间方程的离散化 201

7．4 离散控制系统性能分析 202

7．4．1 离散控制系统的稳定性 202

7．4．2 离散控制系统的稳态误差 204

7．4．3 离散系统动态响应 205

7．5 数字控制器的设计 208

7．5．1 模拟化设计方法 208

7．4．4 离散状态空间模型的能控性与能观性 208

7．5．2 数字化设计方法 212

7．5．3 状态反馈极点配置设计法 215

习题七 216

附录A MATLAB及控制系统工具箱简介 219

A．1 简介 219

A．2 数学模型的输入方法 220

A．2．1 状态方程 220

A．2．2 传递函数 220

A．2．3 系统的表示 221

A．3．1 经典控制论的几个基本分析函数 222

A．2．4 由开环传递函数求闭环传递函数 222

A．3 控制系统分析用函数 222

A．3．2 系统分析和仿真的试题 223

A．4 SISO系统设计工具 226

附录B 能控性和能观性证明 231

B．1 能控性判据 231

B．2 能控标准型 233

B．3 能观性判据 237

附录C Laplace变换对 240

参考文献 241