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第一章 自动控制的一般概念 1

1.1 自动控制的基本概念 1

1.1.1 自动控制系统举例 1

1.1.2 开环控制和闭环控制 4

1.1.3 复合控制 5

1.1.4 自动控制系统的组成和术语 6

1.1.5 自动控制系统的分类 8

1.2 对自动控制系统的基本要求 9

1.2.1 稳定性 9

1.2.2 快速性 9

1.2.3 准确性 10

1.3 自动控制系统常用的典型测试信号 11

1.3.1 单位阶跃信号 11

1.3.2 单位斜坡信号 11

1.3.3 单位加速度信号 12

1.3.4 单位冲激信号 12

1.3.5 正弦信号 13

1.4 学习和研究自动控制系统的方法 13

1.4.1 自动控制理论和方法的主要内容 13

1.4.2 经典控制理论和现代控制理论 13

1.4.3 学习和研究自动控制系统的途径和方法 14

小结 14

习题一 15

2.1 控制系统的微分方程描述 17

第二章 控制系统的数学模型 17

2.2 非线性运动方程式的线性化 24

2.2.1 非线性运动方程式的线性化 24

2.2.2 几点结论 26

2.3 传递函数 28

2.3.1 传递函数的概念及定义 28

2.3.2 典型环节的传递函数 29

2.3.3 传递函数的零点和极点 36

2.3.4 关于传递函数的说明：作用和性质 36

2.3.5 用复数阻抗法求电网络的传递函数 39

2.4.1 动态结构图的组成 40

2.4 系统的动态结构方框图 40

2.4.2 动态结构图的绘制 41

2.5 结构图的化简和系统传递函数的求取 50

2.5.1 结构图等效变换的基本规则 50

2.5.2 动态结构图化简举例 54

2.6 自动控制系统的传递函数 56

2.6.1 闭环系统的开环传递函数 56

2.6.2 给定信号作用下的闭环传递函数 56

2.6.3 干扰信号作用下的闭环传递函数 57

2.6.4 给定信号作用下的闭环误差传递函数 57

2.6.5 干扰信号作用下的闭环误差传递函数 58

习题二 59

小结 59

第三章 控制系统的时域分析 63

3.1 典型控制过程及性能指标 63

3.1.1 典型初始状态 63

3.1.2 典型输入信号 63

3.1.3 系统的时域性能指标 64

3.2 一阶系统的动态分析 65

3.2.1 一阶系统的单位阶跃响应 66

3.2.2 一阶系统的单位斜坡响应 67

3.2.4 系统对输入信号的导数(或积分)的响应 68

3.2.3 一阶系统的单位脉冲响应 68

3.3 二阶系统的动态分析 70

3.3.1 二阶系统的数学模型及零极点分布 70

3.3.2 典型二阶系统的单位阶跃响应 72

3.3.3 二阶系统闭环极点分布与性能参数之间的关系 79

3.3.4 二阶系统性能参数的选择 80

3.4 高阶系统的阶跃响应 82

3.4.1 高阶系统的单位阶跃响应 82

3.4.2 零点分布对系统动态性能的影响 84

3.4.3 极点分布对系统动态性能的影响 84

3.5 控制系统的稳定性分析 85

3.5.1 稳定性的概念 85

3.5.3 代数稳定判据 86

3.5.2 稳定性的充分必要条件 86

3.6 控制系统的误差 94

3.6.1 误差及稳态误差的定义 95

3.6.2 两种误差定义间的关系 95

3.6.3 r(t)和n(t)作用下的稳态误差ess 96

小结 101

习题三 102

第四章 控制系统的根轨迹分析法 108

4.1 根轨迹与根轨迹方程 108

4.1.1 根轨迹的基本概念 108

4.1.2 根轨迹与系统性能的关系 109

4.1.3 根轨迹方程 110

4.2 绘制根轨迹的基本法则 112

4.2.1 根轨迹的分支数 113

4.2.2 根轨迹的起始点和终止点 113

4.2.3 根轨迹的对称性和连续性 113

4.2.4 实轴上的根轨迹区段 113

4.2.5 根轨迹的渐近线 114

4.2.6 根轨迹的分离点和分离角 115

4.2.7 根轨迹的起始角和终止角 116

4.2.8 根轨迹与虚轴的交点 118

4.2.9 根之和 119

4.3 广义根轨迹和零度根轨迹 122

4.3.1 广义根轨迹 123

4.3.2 零度根轨迹 124

4.4.1 确定系统闭环零极点的位置 126

4.4 用根轨迹分析控制系统 126

4.4.2 闭环零极点分布与系统瞬态响应的关系 127

4.4.3 系统阶跃响应的根轨迹分析 131

小结 133

习题四 133

第五章 控制系统的频域分析法 136

5.1 频率特性的一般概念 136

5.2 频率特性的图示法--奈魁斯特图和伯德图 139

5.2.1 奈魁斯特图 139

5.2.2 伯德图 141

5.3.1 比例环节的频率特性 144

5.3 典型环节的频率特性 144

5.3.2 积分环节的频率特性 145

5.3.3 惯性环节的频率特性 146

5.3.4 振荡环节的频率特性 147

5.3.5 微分环节的频率特性 150

5.3.6 延迟环节的频率特性 151

5.4 系统开环频率特性 153

5.4.1 控制系统的开环极坐标图 153

5.4.2 控制系统的开环对数坐标图 156

5.5 频域稳定性判据与稳定性分析 158

5.5.1 预备知识 159

5.5.2 奈魁斯特稳定判据 162

5.5.3 对数频率特性稳定判据 169

5.5.4 稳定裕量 171

5.6 闭环频率特性的绘制 173

5.6.1 由开环频率特性求闭环频率特性的方法之一--解析法 174

5.6.2 由开环频率特性求闭环频率特性的方法之二--等M圆法、等N圆法 175

5.7 闭环频域指标与时域指标的关系 178

5.7.1 闭环频域性能指标 178

5.7.2 闭环频域指标与时域指标的关系 179

5.8 开环频域指标与时域指标的关系 182

5.8.1 低频段 183

5.8.2 中频段 183

小结 185

5.8.3 高频段 185

习题五 186

第六章 控制系统的校正 189

6.1 控制系统的校正 189

6.2 PID控制规律 191

6.2.1 比例控制(P控制) 192

6.2.2 比例加微分控制(PD控制) 192

6.2.3 比例加积分控制(PI控制) 194

6.2.4 比例加积分加微分控制(PID控制) 196

6.3 PID控制规律的实现 198

6.3.1 PD控制规律的实现 198

6.3.2 PI控制规律的实现 200

6.3.3 PID控制规律的实现 202

6.4 频域法校正 204

6.4.1 串联PD校正 205

6.4.2 串联PI校正 207

6.4.3 串联PID校正 210

6.5 反馈校正与复合校正 213

6.5.1 反馈校正 213

6.5.2 串联校正与反馈校正比较 215

6.5.3 复合校正 217

小结 218

习题六 218

7.1 计算机控制系统概述 220

7.1.1 计算机控制系统的组成及原理 220

第七章 计算机控制系统的基本知识 220

7.1.2 采样过程与采样周期 221

7.1.3 离散系统的研究方法 222

7.2 采样定理 222

7.3 Z变换 224

7.3.1 Z变换定义及其表达式 224

7.3.2 求Z变换的方法 225

7.3.3 Z反变换 228

7.3.4 Z变换的主要性质 229

7.4 离散系统的数学描述 230

7.4.1 离散系统的开环脉冲传递函数 231

7.4.2 离散系统的闭环脉冲传递函数 234

7.5.1 根轨迹分析法 237

7.5 线性离散系统的根轨迹分析法 237

7.5.2 开环零点、极点的分布对根轨迹的影响 242

7.5.3 Z平面上的等阻尼比线及其应用 244

7.6 线性离散系统的频率特性分析法 244

7.6.1 极坐标法 245

7.6.2 对数频率特性法 247

7.7 数字PID控制器设计 249

7.7.1 用连续域-离散化设计法设计PID控制器 249

7.7.2 位置式算法和增量式算法 249

7.7.3 PID控制算法的改进 251

7.7.4 PID控制器参数的整定 253

7.8 直流电动机微机控制的系统设计 254

习题七 258

小结 258

附录 积发变换 260

(机电系统自动控制)实验指导 292

一、概述 292

二、实验设备 292

三、对参加实验学生的要求 295

实验一 典型环节的模拟 295

实验二 二阶系统的瞬态响应 297

实验三 典型环节和系统的频率特性 299

实验四 数字PID控制 300

实验五 采样实验 303

参考文献 306