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目录 1

第1章 自动控制的基本概念 1

1.1 引言 1

1.2 控制系统的基本概念 3

1.3 机电工程控制实例简介 6

1.4 控制系统的要素与要求 10

1.4.1 系统要素组成 10

1.4.2 系统分类 11

1.4.3 系统性能的基本要求 12

习题1 13

第2章 线性系统的数学模型 16

2.1 系统的动态过程与模型概念 16

2.2 控制系统时域建模方法 17

2.3 机电控制系统的反馈特点 22

2.4 微分方程的拉普拉斯变换与逆变换解 23

2.5 控制系统（环节）的传递函数 27

2.5.1 传递函数定义 27

2.5.2 传递函数特性、框图与零极点 28

2.5.3 典型环节的传递函数 29

2.6 系统传递函数的框图结构 36

2.6.1 框图基本要素 36

2.6.2 控制系统的框图画法 37

2.6.3 反馈回路结构 38

习题2 39

3.1.1 基本框图及简化 42

第3章 机电系统传递函数分析 42

3.1 传递函数框图的等效变换和简化 42

3.1.2 复杂框图简化规则 44

3.1.3 复杂框图系统的简化 47

3.2 信号流图和梅森公式 48

3.3 干扰与反馈控制系统 50

3.4 典型机电控制系统的传递函数 52

习题3 65

第4章 系统时域响应 68

4.1 时域响应特点与求法 68

4.2 典型输入信号 69

4.3 一阶系统的时域响应 71

4.3.1 脉冲输入下的惯性系统响应 72

4.3.2 其他典型输入下的惯性系统响应与比较 73

4.3.3 微分、积分环节响应 74

4.3.4 线性系统响应的微分特性 74

4.4 二阶系统的时域响应 75

4.4.1 传递函数极点 75

4.4.2 单位斜坡输入下的系统响应 75

4.4.3 其他典型输入函数下的系统响应 77

4.4.4 二阶系统的动态特性讨论 79

4.5 高阶系统的响应分析 84

4.6 复杂输入函数的系统响应 87

4.7.1 积分变换求法 89

4.7 系统非零初值的响应 89

4.7.2 数值解法 90

4.8 机电系统响应的计算机分析 91

习题4 96

第5章 系统频域特性分析 100

5.1 系统频率特性概念 100

5.1.1 频率响应 100

5.1.2 频率特性函数 101

5.1.3 频率特性与传递函数关系 102

5.1.4 频率特性的特点与作用 103

5.2 频率特性的求法 103

5.2.2 根据系统的稳态响应确定频率特性 104

5.2.1 由传递函数求频率特性 104

5.2.3 利用实验确定频率特性 105

5.2.4 闭环与开环系统频率特性关系 105

5.3 频域特性的幅相图 107

5.3.1 一阶环节的幅相图 107

5.3.2 二阶环节的幅相图 109

5.3.3 复杂系统的幅相图 110

5.4 频域特性的对数坐标图 114

5.4.1 对数频率特性函数 114

5.4.2 一阶环节的对数频率特性曲线 115

5.4.3 二阶环节的对数频率特性曲线 118

5.4.4 一般高阶系统的对数曲线 120

5.5 机电系统的频域特性计算机分析 123

5.6 系统频域特性特征量 128

5.7 最小相位系统频率特性 130

习题5 131

第6章 系统稳定性与误差分析 134

6.1 系统稳定性概念与条件 134

6.1.1 系统稳定性定义 135

6.1.2 系统稳定性一般条件 136

6.2 稳定性的代数判定方法 136

6.2.1 系统稳定性劳斯判据（充分必要条件） 137

6.2.2 劳斯判据的特殊情况 140

6.3.1 奈奎斯特稳定判据 141

6.3 稳定性的几何判定方法 141

6.3.2 伯德稳定判据 147

6.4 系统的相对稳定性 150

6.5 延时系统的稳定性 152

6.6 系统误差分析 156

6.6.1 误差概念 156

6.6.2 系统误差传递函数 157

6.6.3 系统稳态误差计算 158

6.6.4 动态误差系数 161

习题6 162

第7章 控制系统设计与校正 165

7.1 机电控制系统设计初步 165

7.2.1 PID控制模型 167

7.2 PID控制调节器 167

7.2.2 PID组合环节的实现与其控制规律 168

7.3 系统性能指标与校正概念 173

7.4 串联校正 176

7.4.1 相位超前（正相位）校正 176

7.4.2 相位滞后（负相位）校正 179

7.4.3 相位滞后一超前校正 182

7.4.4 PID调节器最佳参数设计 184

7.4.5 确定PID调节器参数的其他方法 187

7.5 反馈校正 189

7.5.1 位置反馈校正 190

7.5.2 速度反馈校正 191

7.6 并联（顺馈）校正 193

7.5.3 反馈校正对系统参数变化的作用 193

习题7 196

第8章 线性离散控制系统 199

8.1 模拟信号与数字信号转换 199

8.1.1 A/D转换 200

8.1.2 D/A转换 200

8.2 信号采样理论 201

8.2.1 采样周期与频率 201

8.2.2 采样过程 201

8.2.3 采样定理 203

8.3 离散变量的Z变换 204

8.2.4 信号保持 204

8.3.1 Z变换定义 205

8.3.2 Z变换性质与定理 206

8.3.3 Z变换求法 208

8.3.4 Z逆变换 210

8.4 线性离散系统的分析方法 212

8.4.1 离散系统的差分模型 212

8.4.2 差分方程的Z变换解法 213

8.4.3 脉冲传递函数及求法 213

8.4.4 脉冲传递函数系统简化分析 215

8.4.5 离散系统的响应 218

8.5 离散系统的误差分析 219

8.6 离散系统的稳定性分析 221

8.6.1 z平面与s平面的映射关系 221

8.6.2 线性离散系统稳定的充要条件 222

8.6.3 线性离散系统稳定判据 223

8.7 离散系统的校正 225

8.7.1 数字控制器GD（z） 225

8.7.2 离散校正环节的近似设计 226

8.7.3 最少拍系统设计与校正方法 229

8.7.4 数字PID控制器 230

习题8 233

9.1.2 非线性系统数学模型特征 237

9.1.1 非线性系统元件参数特征 237

9.1 非线性控制系统的特征 237

第9章 非线性控制系统基础 237

9.1.3 非线性系统的输出特征 238

9.1.4 典型非线性环节 239

9.1.5 非线性系统常用的分析方法 241

9.2 描述函数法 242

9.2.1 描述函数定义 242

9.2.2 常见非线性系统的描述函数 243

9.2.3 系统稳定性的描述函数分析 249

9.3 相平面分析法 254

9.3.1 控制系统的相平面方程 254

9.3.2 相轨迹图形 256

9.3.3 相平面轨迹特点 258

9.3.4 相平面轨迹应用 261

9.4 非线性系统实例分析 262

9.5 非线性系统的数值仿真 267

习题9 270

第10章 状态空间理论初步 274

10.1 系统状态变量与状态方程概念 274

10.2 系统状态方程的建立方法 276

10.2.1 由系统微分方程建立状态方程 276

10.2.2 由线性系统的传递函数建立状态方程 278

10.2.3 利用系统的环节框图建立状态方程 279

10.2.4 非线性系统状态方程 281

10.3.1 线性定常系统状态方程的解 283

10.3 系统状态方程的求解 283

10.3.2 线性时变系统状态方程的解 288

10.4 离散系统的状态方程 291

10.4.1 bj＝0（j＝1，2，…，m）时，离散系统状态方程 291

10.4.2 bj≠0（j＝1，2，…，m）时，离散系统状态方程 293

10.4.3 离散系统状态方程求解 294

10.4.4离散系统状态方程数值解 298

10.5 系统状态特性 299

10.5.1 能控性的定义和判别 299

10.5.2 能观性的定义和判别 300

10.5.3 稳定性判别 301

习题10 301

11.1.1 控制系统动力与执行机构 304

第11章 机电控制系统实验与计算机仿真 304

11.1 典型机电控制系统组成 304

11.1.2 控制信号的综合、转换与放大器 308

11.2 输入信号的实验方法 311

11.3 机电控制系统的传递函数实验 312

11.4 典型机电伺服系统的时域实验 314

11.5 典型机电系统的频率实验 316

11.6 控制系统的计算机仿真实验 317

11.7 控制系统的计算机仿真程序 324

附录A 典型函数的拉普拉斯变换和Z变换 334

附录B 习题参考答案 338