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目录 1

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 开环控制系统和闭环控制系统 1

1.2.1 开环控制系统 2

1.2.2 闭环控制系统 3

1.3 自动控制系统的分类和组成 5

1.3.1 自动控制系统的分类 5

1.3.2 自动控制系统的组成 6

1.4 控制系统的基本要求 7

1.4.1 稳定性 7

1.4.2 响应速度 7

1.4.3 精确度 8

习题 8

第2章 数学基础 9

2.1 拉普拉斯变换 9

2.1.1 知识的回顾 9

2.1.2 拉普拉斯变换的定义 10

2.2 拉普拉斯变换定理 12

2.2.1 平移函数 12

2.2.2 f（t）与e-at相乘 14

2.2.3 时间比例尺 14

2.2.4 微分定理 15

2.2.5 终值定理 16

2.2.6 初值定理 17

2.2.7 积分定理 17

2.3 拉普拉斯反变换 18

2.3.1 具有不相同极点的F（s）的部分分式展开式 19

2.3.2 具有共轭复数极点的F（s）的部分分式展开式 20

2.3.3 具有多重极点的F（s）的部分分式展开式 21

2.4 拉普拉斯变换法的应用 23

第3章 控制系统的数学模型 25

3.1 控制系统数学模型的建立 25

3.1.1 概述 25

3.1.2 线性控制系统数学模型的建立 26

3.2 线性控制系统的传递函数 28

3.2.1 传递函数的概念 29

3.2.2 传递函数的几点说明 31

3.2.3 典型环节及其传递函数 32

3.3 结构图 35

3.3.1 结构图的组成 35

3.3.2 结构图的建立 36

3.3.3 结构图的等效变换 37

3.4.1 信号流图及其组成 41

3.4 信号流图 41

3.4.2 信号流图的绘制 43

3.4.3 梅逊增益公式 45

3.4.4 闭环控制系统的传递函数 47

习题 48

第4章 时域分析法 51

4.1 典型输入信号 51

4.2 阶跃响应的性能指标 53

4.2.1 动态过程 53

4.3.1 一阶系统的单位阶跃响应 54

4.2.2 稳态过程 54

4.3 一阶系统时域分析 54

4.3.2 一阶系统的单位脉冲响应 55

4.3.3 一阶系统的单位斜坡响应 56

4.4 二阶系统时域分析 57

4.4.1 二阶系统的单位阶跃响应 58

4.4.2 二阶系统的动态性能指标 60

4.5 控制系统的稳定性 63

4.5.1 稳定的基本概念 63

4.5.2 劳斯（Routh）判据 64

4.6 基于MATLAB的稳态误差分析 67

4.6.1 稳态误差的基本概念 67

4.6.2 误差传递函数 68

4.6.3 基于MATLAB的稳态误差分析 70

习题 72

第5章 根轨迹法 75

5.1 根轨迹方程 75

5.2 绘制根轨迹的基本法则 78

5.3 控制系统根轨迹分析 84

5.3.1 闭环系统零、极点与系统的阶跃响应 85

5.3.2 系统性能指标的估算 86

5.4 基于MATLAB的根轨迹绘制及分析 87

习题 91

第6章 频域分析法 93

6.1 频率特性 93

6.1.1 频率特性的概念 93

6.1.2 频率特性的几何表示 94

6.2 典型环节的频率特性 98

6.3 稳定性判断 104

6.3.1 辐角原理 104

6.3.2 奈奎斯特稳定判据 105

6.3.3 对数频率稳定判据 108

6.4 稳定裕度 109

6.4.1 幅值裕度h 110

6.4.2 相角裕度γ 111

6.5 基于MATLAB的频率特性图绘制 112

习题 115

第7章 控制系统的校正 119

7.1 控制系统校正的概念 119

7.1.1 时域分析法校正思想 119

7.1.2 频域分析法校正思想 120

7.2 串联校正 121

7.2.1 超前网络 121

7.2.2 迟后网络 123

7.2.3 复合网络 125

7.3 反馈校正 130

习题 133

第8章 非线性控制系统 134

8.1 非线性问题概述 134

8.2 描述函数分析法 135

8.2.1 描述函数的概念 135

8.2.2 典型非线性特性的描述函数 137

8.2.3 用描述函数分析非线性系统的稳定性 142

8.3.1 相轨迹的概念 144

8.3 相平面分析法 144

8.3.2 线性系统的相轨迹 145

8.3.3 非线性系统的相轨迹 149

第9章 状态空间分析法 151

9.1 状态空间方程的建立 151

9.1.1 状态空间方程的概念 151

9.1.2 状态空间方程的列写方法 153

9.2 连续系统状态方程的解法 162

9.2.1 时域解法 162

9.2.2 复频域解法 163

9.3 系统的能控性和能观测性 165

9.3.1 能控性 165

9.3.2 能观测性 168

习题 169

第10章 MATLAB简介 172

10.1 MathWorks控制系统解决方案 172

10.1.1 集成的系统设计环境 172

10.1.2 MathWorks产品支持控制流程的关键环节 173

10.2.1 TransferFcn（传递函数模块） 174

10.2 Simulink与建模仿真 174

10.2.2 以零点—极点表示的传递函数模块 176

10.2.3 增益模块 177

10.2.4 偏移模块 178

10.2.5 饱和度模块 179

10.2.6 Mux（向量合成模块） 181

10.2.7 Constant（常数源模块） 181

10.2.8 Pulse Generator（脉冲信号发生器） 182

10.2.9 Ramp（“斜坡”信号） 184

10.2.10 Step（阶跃函数模块） 185

10.2.11 Clock（仿真时间模块） 186

10.2.12 Scope（示波器模块） 187

10.3 MATLAB控制系统工具箱函数 189

10.3.1 时域响应 189

10.3.2 频域响应 193

10.3.3 根轨迹 201

附录A 工具箱命令参考 205

参考文献 209