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第1章 概述 1

1.1 自动控制理论的发展及趋势 1

目录 1

1.2 开环控制与闭环控制 2

1.3 对自动控制系统的基本要求 4

1.3.1 稳定性 4

1.3.2 精确性 5

1.3.3 快速性 5

1.4.3 系统综合 6

1.5.2 例题分析与工程实例 6

1.5 学生自读 6

1.5.1 学习目标 6

1.4.2 系统分析 6

1.4.1 建模 6

1.4 本书梗概 6

1.5.3 本章小结 9

习题1 9

第2章 控制系统及其组成环节的数学模型 11

2.1 数学模型的类型及建模方法 11

2.1.1 数学模型的几种类型 11

2.1.2 数学模型建立的一般方法 11

2.2 系统的微分方程数学模型的建立 11

2.3 控制系统的传递函数模型 15

2.3.1 传递函数 15

2.3.2 控制系统中的典型环节 17

2.3.3 系统方块图 21

2.3.4 信号流图 27

2.3.5 梅逊公式 31

2.4 利用Matlab建立控制系统模型 32

2.5 学生自读 36

2.5.1 学习目标 36

2.5.2 例题分析与工程实例 36

2.5.3 本章小结 38

习题2 39

第3章 控制系统的时域分析法 42

3.1 控制系统的过渡过程形式及性能指标 42

3.1.1 控制系统的输入信号 42

3.1.2 控制系统过渡过程的性能指标 43

3.2 一阶系统的动态响应 44

3.2.1 单位阶跃响应 45

3.2.2 单位斜坡响应 46

3.2.3 单位脉冲响应 47

3.3 二阶系统的动态响应 48

3.3.1 二阶系统数学模型的标准形式 48

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应 49

3.3.3 二阶欠阻尼系统过渡过程的性能指标 52

3.4 高阶系统的动态响应 56

3.4.1 高阶系统的解析分析 56

3.4.2 高阶系统的降阶近似分析 58

3.5 控制系统的稳态误差分析 59

3.5.1 稳态误差与系统类型 60

3.5.2 给定稳态偏差分析 61

3.5.3 扰动稳态偏差分析 64

3.6 控制系统的稳定性分析 65

3.6.1 系统稳定性的概念及条件 65

3.6.2 劳斯稳定判据 66

3.6.3 劳斯稳定判据的应用 70

3.7 应用Matlab分析控制系统的性能 71

3.8 学生自读 75

3.8.1 学习目标 75

3.8.2 例题分析与工程实例 75

3.8.3 本章小结 79

习题3 80

第4章 根轨迹分析 82

4.1 根轨迹的概念 82

4.1.1 根轨迹引入的背景 82

4.1.2 根轨迹的概念 82

4.1.3 闭环零、极点与开环零、极点的关系 83

4.2 根轨迹绘制的基本法则 84

4.1.4 根轨迹方程 84

4.3 广义根轨迹 89

4.3.1 参数根轨迹 89

4.3.2 零度根轨迹的绘制法则 90

4.4 利用根轨迹图分析系统性能 91

4.4.1 根轨迹图上的闭环零、极点与时间响应的关系 91

4.4.2 系统性能定性分析的原则 93

4.4.3 举例 94

4.5 利用Matlab绘制系统的根轨迹 95

4.6 学生自读 98

4.6.1 学习目标 98

4.6.2 例题分析与工程实例 98

4.6.3 本章小结 101

习题4 101

5.1.1 频率特性 103

第5章 频率特性分析法 103

5.1 频率特性及其图示法 103

5.1.2 频率特性的极坐标图 107

5.1.3 典型环节的伯德（Bode）图示法 113

5.2 奈奎斯特（Nyquist）稳定判据 125

5.2.1 柯西定理 125

5.2.2 奈奎斯特稳定判据 126

5.2.3 奈奎斯特轨迹穿过F（s）奇点情况 130

5.2.4 奈奎斯特稳定判据的物理意义 131

5.3 稳定裕度及其分析方法 132

5.3.1 稳定裕度的基本概念 132

5.3.2 系统稳定裕度与系统性能指标的关系 134

5.3.3 系统的带宽 134

5.3.4 稳定裕度的分析方法 135

5.4 闭环频率特性及其分析方法 137

5.4.1 开环频率特性与闭环频率特性 137

5.4.2 闭环频率特性分析方法 138

5.5 应用Matlab进行频率特性分析 140

5.6 学习自读 142

5.6.1 学习目标 142

5.6.2 例题分析与工程实例 142

5.6.3 本章小结 147

习题5 148

第6章 线性系统的校正方法 150

6.1 系统校正的问题和校正装置 150

6.1.1 性能指标及互换 150

6.1.2 校正方式 152

6.1.3 常用校正装置及其特性 153

6.1.4 PID控制器 155

6.2 频率域上的校正方法 156

6.2.1 串联超前校正 156

6.2.2 串联滞后校正 157

6.2.3 串联滞后-超前校正 158

6.2.4 并联校正 159

6.3 时域上的校正方法 159

6.3.1 串联校正 160

6.3.2 并联校正 166

6.3.3 一般二次型校正装置的设计 167

6.3.4 PID控制器的理论设计 170

6.4.1 前馈校正的第一种形式 171

6.4 前馈校正和复合校正 171

6.4.2 前馈校正的第二种形式 172

6.4.3 前馈滤波器问题 172

6.4.4 复合校正 173

6.5 Matlab在系统校正中的应用 173

6.6 学生自读 175

6.6.1 学习目标 175

6.6.2 例题分析与工程实例 175

6.6.3 本章小结 179

习题6 179

第7章 状态空间分析设计方法 181

7.1 线性系统的状态空间数学模型 181

7.1.1 系统状态空间表达的基本概念 181

7.1.3 由机理分析建立状态空间表达式 182

7.1.2 线性系统的状态空间描述 182

7.1.4 由微分方程建立状态空间表达式 184

7.1.5 由传递函数建立状态空间表达式 187

7.1.6 状态空间表达式与传递函数矩阵 187

7.2 系统的状态空间运动分析 189

7.2.1 线性定常系统状态运动分析 189

7.2.2 矩阵指数函数eAt 191

7.3 线性定常系统的能控性与能观测性 193

7.3.1 基本概念 194

7.3.2 能控性与能观测性判据 196

7.3.3 单输入单输出系统的能控／能观测标准形 202

7.3.4 结构分解 204

7.4.1 状态反馈与输出反馈 210

7.4 线性系统的状态反馈与极点配置 210

7.4.2 状态反馈极点配置 212

7.4.3 输出反馈极点配置 215

7.5 状态观测器的设计 216

7.5.1 全维观测器的设计 216

7.5.2 最小阶观测器 220

7.5.3 具有观测器的状态反馈控制系统 223

7.6 Matlab在状态空间分析中的应用 226

7.7 学生自读 234

7.7.1 学习目标 234

7.7.2 例题分析与工程实例 234

7.7.3 本章小结 240

习题7 240

第8章 采样控制系统分析方法 243

8.1 采样控制系统概述 243

8.2.1 采样器与采样过程 244

8.2 信号的采样与保持 244

8.2.2 采样过程的数学描述 245

8.2.3 采样定理及采样保持 247

8.3 采样信号的Z变换 251

8.3.1 采样信号的Z变换 251

8.3.2 Z变换的基本性质 254

8.3.3 Z反变换 257

8.4 离散系统的数学模型 260

8.4.1 微分方程的离散化 260

8.4.2 连续状态方程的离散化 261

8.4.3 脉冲传递函数 263

8.5.2 差分方程和离散状态方程之间的转换 271

8.5.1 差分方程和脉冲传递函数之间的转换 271

8.5 采样系统的数学模型之间的相互转换 271

8.5.3 离散状态方程和脉冲传递函数之间的转换 273

8.6 采样系统的性能分析 277

8.6.1 稳定性分析 277

8.6.2 稳态特性分析 281

8.6.3 动态特性分析 283

8.7 Matlab在离散系统中的应用 286

8.8 学生自读 289

8.8.1 学习目标 289

8.8.2 例题分析与工程实例 289

8.8.3 本章小结 292

习题8 293

9.1 概述 295

9.1.1 研究非线性系统的意义 295

第9章 非线性控制系统 295

9.1.2 非线性系统的一般特征 296

9.1.3 模型线性化 296

9.1.4 典型非线性环节及其影响 298

9.1.5 非线性系统的研究方法及特点 299

9.2 描述函数方法 301

9.2.1 描述函数的概念 302

9.2.2 典型非线性环节描述函数的计算 302

9.2.3 描述函数分析方法 306

9.3 相平面方法 311

9.3.1 相平面及相轨迹的特点 311

9.3.2 相轨迹的绘制方法 312

9.3.3 线性二阶系统的相轨迹 313

9.3.4 非线性系统相平面分析 316

9.4.1 李亚普诺夫意义下的稳定性 317

9.4 李亚普诺夫稳定性理论 317

9.4.2 李亚普诺夫稳定性理论 319

9.4.3 线性系统的李亚普诺夫稳定性分析 322

9.5 应用Matlab分析非线性系统 323

9.6 学生自读 327

9.6.1 学习目标 327

9.6.2 例题分析与工程实例 327

9.6.3 本章小结 330

习题9 331

附录1 数学基础 333

附录2 根轨迹绘制法则的证明 336

附录3 Matlab基础知识 340

部分习题答案 350

参考文献 359