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第1章　绪论 1

本章教学目标与要求 1

引言 1

1.1 自动控制系统简介 2

1.2　自动控制系统的组成及术语 4

1.3　自动控制系统的类型 5

1.3.1　按系统输入信号划分 5

1.3.2　按传送的信号性质划分 6

1.3.3　按描述元件的动态方程划分 6

1.3.4　按系统参数是否随时间变化划分 6

1.4 自动控制系统的性能指标 6

1.5　自动控制系统实例 8

1.5.1　液面控制系统 8

1.5.2　炉温控制系统 9

1.5.3　函数记录仪 9

学习指导及小结 10

本章知识架构 11

阅读材料 12

习题 12

第2章　线性系统的数学模型 15

本章教学目标与要求 15

引言 15

2.1　控制系统的数学模型 16

2.1.1　线性系统微分方程的建立方法 16

2.1.2　线性系统微分方程的建立实例 16

2.1.3　线性系统的基本特性 19

2.1.4　非线性系统微分方程的线性化 20

2.2　传递函数 20

2.2.1　传递函数的概念 21

2.2.2　传递函数的定义 22

2.2.3　典型环节的传递函数 23

2.2.4　传递函数与电气网络的运算阻抗 26

2.3　结构图 26

2.3.1　结构图的组成 26

2.3.2　系统结构图的建立 27

2.3.3　结构图的等效变换 28

2.3.4　控制系统的传递函数 32

2.4　信号流图 35

2.4.1　信号流图中的术语 35

2.4.2　控制系统信号流图的绘制 36

2.4.3　信号流图的简化原则 37

2.4.4　梅森公式 38

2.5 习题精解及MATLAB工具和案例分析 39

2.5.1　习题精解 39

2.5.2　案例分析及MATLAB应用 41

学习指导及小结 42

本章知识架构 44

阅读材料 45

习题 46

第3章　线性系统的时域分析 49

本章教学目标与要求 49

引言 49

3.1　性能指标 50

3.1.1　典型输入信号 50

3.1.2　动态性能指标 50

3.1.3　稳态性能指标 52

3.2　一阶系统的单位阶跃响应 52

3.2.1　一阶系统的数学模型 52

3.2.2　一阶系统的单位阶跃响应 52

3.3　二阶系统的单位阶跃响应 53

3.3.1　二阶系统的数学模型 53

3.3.2　二阶系统的单位阶跃响应 53

3.3.3　二阶系统阶跃响应的性能指标 56

3.3.4　二阶系统的动态校正 59

3.4　高阶系统的时域响应 63

3.5 自动控制系统的代数稳定判据 65

3.5.1　稳定的概念 65

3.5.2　线性系统稳定的充分必要条件 66

3.5.3　劳斯判据 66

3.5.4　相对稳定性和稳定裕量 68

3.6　稳态误差 69

3.6.1　稳态误差的定义 69

3.6.2　系统类型 70

3.6.3　稳态误差计算 70

3.6.4　扰动作用下的稳态误差 72

3.7　习题精解及MATLAB工具和案例分析 74

3.7.1　习题精解 74

3.7.2　案例分析及MATLAB应用 77

学习指导及小结 80

本章知识架构 82

阅读材料 82

习题 83

第4章　根轨迹 87

本章教学目标与要求 87

引言 87

4.1　根轨迹的基本概念 87

4.1.1　根轨迹的概念 88

4.1.2　根轨迹的条件 89

4.2　绘制系统根轨迹的基本法则 90

4.2.1　180°根轨迹的绘制规则 90

4.2.2　0°根轨迹的绘制规则 101

4.2.3　参量根轨迹 103

4.3　用根轨迹法分析系统的性能 105

4.3.1　增加开环零点、极点对根轨迹的影响 105

4.3.2　利用根轨迹法分析参数调整对系统性能的影响 108

4.3.3　根据对系统性能的要求估算可调参数的值 109

4.4 习题精解及MATLAB工具和案例分析 110

4.4.1　习题精解 110

4.4.2　案例分析及MATLAB应用 114

学习指导及小结 117

本章知识架构 118

阅读材料 119

习题 119

第5章　线性系统的频域分析 123

本章教学目标与要求 123

引言 123

5.1　频率特性的基本概念 123

5.2　典型环节的频率特性 128

5.3　控制系统的开环频率特性 134

5.3.1　开环极坐标图（奈奎斯特图） 134

5.3.2　开环对数频率特性图 136

5.3.3　最小相位系统与非最小相位系统 140

5.4　映射定理与奈奎斯特稳定判据 141

5.4.1　映射定理 142

5.4.2　奈奎斯特稳定判据 143

5.5　稳定裕度 146

5.6　用闭环频率特性分析系统的性能 148

5.7 习题精解及MATLAB工具和案例分析 151

5.7.1　习题精解 151

5.7.2　案例分析及MATLAB应用 154

学习指导及小结 156

本章知识架构 157

阅读材料 157

习题 158

第6章　控制系统的校正 163

本章教学目标与要求 163

引言 163

6.1　系统的设计及校正问题 163

6.2　基本控制规律 166

6.3　串联超前校正 169

6.4　滞后校正 174

6.5　滞后-超前校正 179

6.6　串联综合法校正 185

6.7　反馈校正 188

6.8　复合校正 191

6.9 习题精解及MATLAB工具和案例分析 193

6.9.1　习题精解 193

6.9.2　案例分析及MATLAB应用 199

学习指导及小结 200

本章知识架构 201

阅读材料 202

习题 202

第7章　离散控制系统 207

本章教学目标与要求 207

引言 207

7.1　离散系统的基本概念 207

7.1.1　采样控制系统 207

7.1.2　离散控制系统分类及特点 209

7.2　采样过程和采样定理 209

7.2.1　信号的采样 209

7.2.2　采样定理（香农定理） 212

7.3　信号恢复 212

7.3.1　理想滤波器 212

7.3.2　零阶保持器 213

7.4　Z变换 214

7.4.1　Z变换定义 214

7.4.2　Z变换性质 217

7.4.3　Z变换方法 218

7.4.4　Z反变换 219

7.5　离散系统的数学模型 221

7.5.1　差分方程 221

7.5.2　脉冲传递函数 223

7.5.3　开环采样系统的脉冲传递函数 224

7.5.4　闭环采样系统的脉冲传递函数 227

7.6　离散系统的时域分析 231

7.6.1　离散系统的稳定性分析 231

7.6.2　离散系统的瞬态响应分析 236

7.6.3　离散系统的稳态误差 239

7.7 习题精解及MATLAB工具和案例分析 243

7.7.1　习题精解 243

7.7.2　案例分析及MATLAB应用 245

学习指导及小结 247

本章知识架构 249

阅读材料 250

习题 250

第8章　非线性控制系统 254

本章教学目标与要求 254

引言 254

8.1　非线性控制系统的概述 254

8.1.1　研究非线性理论的意义 254

8.1.2　非线性系统的特征 255

8.1.3　常见非线性特性 256

8.1.4　非线性系统的分析方法 259

8.2　描述函数法 260

8.2.1　描述函数法的基本概念 260

8.2.2　典型非线性特性的描述函数 262

8.2.3　用描述函数法分析系统的稳定性 265

8.3　相平面法 268

8.3.1　问题的提出 268

8.3.2　相轨迹的特点 268

8.3.3　相轨迹的绘制方法 270

8.3.4　非线性系统的相轨迹 273

8.4 习题精解及MATLAB工具和案例分析 275

8.4.1　习题精解 275

8.4.2 案例分析及MATLAB应用 278

学习指导及小结 281

本章知识架构 282

阅读材料 282

习题 283

第9章 用MATLAB/Simulink进行仿真实验 287

9.1 MATLAB简介 287

9.2　Simulink简介 293

9.2.1　Simulink入门 293

9.2.2　Simulink库基本模块简介 294

9.2.3　Simulink的基本建模方法 298

9.2.4　Simulink仿真举例 300

9.3　仿真实验 303

9.3.1　实验一　典型环节动态特性及PID的控制作用 303

9.3.2　实验二　二阶系统的瞬态响应分析 309

9.3.3　实验三　控制系统稳定性分析和瞬态响应分析 311

9.3.4　实验四　串联校正环节的设计 312

附录　拉普拉斯变换-Z变换表 315

参考文献 317