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目录 1

前言 1

第1章　自动控制概述 1

1.1　开环控制与闭环控制 2

1.1.1　自动控制的基本方式 2

1.1.2　开环控制 2

1.1.3　闭环（反馈）控制 3

1.2 自动控制系统实例 4

1.2.1　热水温度控制系统 4

1.2.2　压力控制系统 5

1.2.3　随动控制系统 6

1.2.4　数字控制系统 7

1.2.5　调速系统 8

1.3　控制系统的组成与对控制系统的性能要求 8

1.3.1　控制系统的组成和基本环节 8

1.3.2　对控制系统的性能要求 9

小结 10

习题一 11

第2章　控制系统的数学模型 13

2.1　系统数学模型概述 13

2.2　列写微分方程的一般方法 13

2.3.1　拉氏变换定义 14

2.3　用拉普拉斯变换求解线性微分方程 14

2.3.2　常用函数的拉氏变换 15

2.3.3　拉氏变换的几个基本法则 15

2.3.4　拉氏反变换 16

2.3.5　用拉氏变换求解微分方程 18

2.4　传递函数 18

2.4.1　传递函数的定义 18

2.4.2　典型环节的传递函数 20

2.5　动态结构图 22

2.5.1　动态结构图的概念 22

2.5.2　动态结构图的建立 22

2.5.3　动态结构图的等效变换 23

2.6　信号流图 28

2.6.1　信号流图的术语及绘制 28

2.6.2　梅逊公式 29

小结 30

习题二 31

第3章　时域分析方法 33

3.1　典型控制过程及性能指标 33

3.1.1　典型输入信号及输出波形 33

3.1.2　控制系统的性能指标 34

3.2.3　一阶系统的单位斜坡响应 36

3.2.2　一阶系统的单位阶跃响应 36

3.2　一阶系统分析 36

3.2.1　一阶系统的数学模型 36

3.2.4　一阶系统的单位脉冲响应 37

3.2.5　三种响应之间的关系 37

3.3　二阶系统分析 38

3.3.1　二阶系统的数学模型 38

3.3.2　二阶系统的单位阶跃响应 38

3.3.3　高阶系统的时域分析 42

3.4　稳定性与代数判据 43

3.4.1　稳定的概念 43

3.4.3　古尔维次（Hurwitz）稳定判据 44

3.4.2　稳定的数学条件及定义 44

3.4.4　劳斯（Routh）稳定判据 45

3.5　稳态误差分析及误差系数 47

3.5.1　误差及稳态误差的定义 47

3.5.2　系统的型别 48

3.5.3　稳态误差的计算 48

3.5.4　改善系统稳态精度的方法 51

小结 51

习题三 52

4.1.1　根轨迹 54

4.1　根轨迹与根轨迹方程 54

第4章　根轨迹法 54

4.1.2　根轨迹方程 55

4.2　绘制根轨迹的基本规则 56

4.3　系统闭环零极点分布与阶跃响应的关系 67

4.3.1　闭环零极点分布与阶跃响应的关系 68

4.3.2　主导极点与偶极子 68

4.3.3　利用主导极点估算系统的性能指标 68

4.4　开环零极点对根轨迹的影响 71

4.4.1　开环零点对根轨迹的影响 71

4.4.2　开环极点对根轨迹的影响 73

小结 75

习题四 76

第5章　频率分析法 79

5.1　频率特性的概念 79

5.1.1　频率特性与传递函数的关系 80

5.1.2　频率特性的图形表示法 82

5.2　典型环节频率特性 84

5.2.1　比例环节 84

5.2.2　积分环节 84

5.2.3　微分环节 85

5.2.4　一阶惯性环节 86

5.2.5　二阶振荡环节 89

5.2.6　一阶微分环节 91

5.2.7　一阶不稳定环节 92

5.3　系统开环频率特性的绘制 93

5.4　稳定判据 96

5.4.1　开环频率特性和闭环特征式的关系 96

5.4.2　奈奎斯特（H·Nyguist）稳定判据 97

5.4.3　对数稳定判据 102

5.4.4　系统稳定裕度 103

5.5　开环频率特性和系统动态响应的关系 107

5.5.1　低频段 108

5.5.2　中频段 109

5.5.3　高频段 112

5.6　闭环频率响应 113

5.6.1　M圆图 114

5.6.2　N圆图 115

5.6.3＊ 尼柯尔斯图 116

5.6.4　闭环频率特性与时域指标的关系 119

小结 122

习题五 122

第6章　控制系统的校正 127

6.1　控制系统校正的基本概念 127

6.2.1　超前校正 128

6.2　串联校正 128

6.2.2　迟后校正 133

6.2.3　迟后—超前校正 136

6.3　反馈校正 140

6.3.1　利用反馈校正改变局部结构、参数 141

6.3.2　利用反馈校正取代局部环节 142

6.4　复合校正 145

6.4.1　引入输入补偿法 145

6.4.2　引入扰动补偿方法 146

小结 146

习题六 147

第7章＊ 非线性系统 150

7.1　常见非线性特性及对系统的影响 150

7.1.1　不灵敏区（死区） 150

7.1.2　饱和特性 151

7.1.3　间隙特性 152

7.1.4　继电器特性 153

7.2　非线性特性描述函数法 153

7.2.1　典型环节描述函数 154

7.2.2　非线性系统的描述函数分析 161

7.2.3　非线性系统的稳定性分析 162

7.2.5　应用描述函数法分析非线性系统 163

7.2.4 自振分析 163

7.2.6　改善非线性系统控制性能的措施 168

小结 170

习题七 171

第8章　线性采样系统分析 173

8.1　采样控制系统分析 173

8.1.1　采样控制系统结构 174

8.1.2　采样过程 174

8.1.3　采样定理 175

8.1.4　采样信号复现与零阶保持器 178

8.2　z变换 180

8.2.1　z变换定义 181

8.2.2　z变换基本定理 182

8.3　z反变换 185

8.3.1 部分分式法 185

8.3.2 幂级数法 186

8.4　差分方程 187

8.4.1　差分的定义 187

8.4.2　差分方程 188

8.5　脉冲传递函数 189

8.5.1　脉冲传递函数的定义 189

8.5.2　开环系统的脉冲传递函数 191

8.5.3　闭环系统的脉冲传递函数 193

8.6.1　采样系统稳定性分析 196

8.6　采样系统性能分析 196

8.6.2　采样系统的稳态误差 198

8.6.3　采样系统闭环极点分布与动态响应之间的关系 203

小结 205

习题八 205

第9章　用MATLAB软件上机仿真实训指导 209

9.1 MATLAB简介 209

9.1.1 MATLAB的安装 209

9.1.2 MATLAB命令窗口 209

9.1.4 MATLAB运算符号的用法 211

9.1.3 MATLAB中的变量 211

9.1.5　绘制曲线 212

9.1.6　Simulink概述 213

9.2 MATLAB中的数学模型及其等效变换 220

9.2.1 MATLAB中的数学模型表示 221

9.2.2 MATLAB在系统分析中的应用 223

习题九 239

附录A 自动控制原理电子模拟实验 241

附录B 实验说明及参考答案 263

附录C MATLAB常用命令 273

参考文献 275