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绪论 1

第1章 控制系统模型描述及仿真 5

1.1 连续系统的传递函数模型 5

1.1.1 连续系统传递函数模型的描述方法 5

1.1.2 传递函数框图的处理 7

1.2 离散系统的传递函数模型 15

1.2.1 离散系统传递函数模型的描述方法 15

1.2.2 连续、离散系统传递函数模型的相互转换 15

1.3 连续系统状态空间模型 19

1.3.1 连续系统的状态方程及其框图 19

1.3.2 连续系统状态空间模型的传递函数矩阵 19

1.3.3 连续系统状态空间模型描述的MATLAB主要指令 20

1.3.4 连续系统状态空间模型的典型连接［6］ 23

1.4 离散系统状态空间模型 58

1.4.1 离散系统状态方程及其框图 58

1.4.2 离散状态空间描述的MATLAB主要指令 58

1.4.3 离散与连续状态空间描述的相互转换 64

第2章 控制系统时域特性的分析与仿真 67

2.1 典型输入信号时域响应仿真的主要命令 67

2.1.1 典型输入信号的定义 67

2.1.2 时域响应的MATLAB主要命令 71

2.2 一阶控制系统的时域响应 79

2.2.1 一阶控制系统的传递函数 79

2.2.2 一阶控制系统的时域响应 80

2.2.3 一阶控制系统时域响应的仿真实例 82

2.3 二阶控制系统的时域响应 88

2.3.1 二阶控制系统的传递函数 88

2.3.2 二阶控制系统的时域响应 89

2.3.3 二阶控制系统时域响应的仿真实例 92

2.4 高阶控制系统的时域响应 98

2.4.1 高阶控制系统的传递函数及其分解 98

2.4.2 高阶控制系统的时域特性 99

2.4.3 高阶控制系统时域特性仿真的MATLAB主要命令 100

2.4.4 高阶控制系统时域特性的仿真实例 102

2.5 状态空间模型的时域响应 105

2.5.1 状态方程的解 105

2.5.2 求解状态方程的MATLAB命令 105

2.5.3 状态方程时域响应的仿真实例 108

2.6 离散系统的时域响应 115

2.6.1 离散系统时域响应的MATLAB主要命令 115

2.6.2 离散系统时域响应的仿真实例 117

2.6.3 离散状态方程的解 121

第3章 线性控制系统频域特性的分析与仿真 128

3.1 频率特性概述 128

3.1.1 频率特性的定义 128

3.1.2 频率特性与传递函数的关系 128

3.1.3 幅频特性和相频特性的常用求法 129

3.2 频率特性的图形描述 130

3.2.1 频率特性中的奈奎斯特图 130

3.2.2 频率特性中的伯德图 131

3.2.3 频率特性中的尼科尔斯图 131

3.3 频率特性仿真的MATLAB函数 133

3.3.1 频率特性的符号运算 133

3.3.2 频率特性的数字仿真命令 134

3.4 频率特性仿真实例 136

3.4.1 单输入单输出系统频率特性仿真实例 136

3.4.2 多输入多输出系统频率特性仿真实例 138

3.5 控制系统根轨迹图的仿真与分析 141

3.5.1 控制系统的根轨迹概述 141

3.5.2 控制系统根轨迹图的MATLAB命令 143

3.6 根轨迹图仿真分析实例 148

3.6.1 单输入单输出系统根轨迹图仿真实例 148

3.6.2 多输入多输出系统根轨迹图仿真实例 150

第4章 控制系统的稳定性分析与仿真 153

4.1 控制系统稳定性的基本描述 153

4.2 连续控制系统的稳定性判据 153

4.3 连续控制系统的稳定性判定及仿真 154

4.4 离散控制系统的稳定性判定及仿真 159

4.5 状态空间模型的稳定性判定及仿真 163

4.5.1 状态空间模型开环、闭环结构及其稳定性判别 163

4.5.2 状态空间模型稳定性判定仿真 166

4.6 李雅普诺夫稳定性判定及仿真 171

4.6.1 李雅普诺夫第一方法 171

4.6.2 李雅普诺夫第二方法 172

4.6.3 李雅普诺夫方程 172

4.6.4 二次型函数和对称矩阵的定号性 173

4.6.5 运用李雅普诺夫第二方法分析非线性系统的稳定性 174

4.6.6 李雅普诺夫稳定性分析仿真 175

第5章 控制系统的性能仿真分析 187

5.1 控制系统的时域性能指标 187

5.1.1 控制系统的稳态时域性能指标及仿真 187

5.1.2 考虑扰动时控制系统的稳态误差及仿真 191

5.1.3 控制系统的瞬态时域性能指标及仿真 197

5.2 控制系统的频域性能指标 201

5.2.1 控制系统的稳定性裕度及仿真 201

5.2.2 闭环系统的频域性能指标及仿真 205

5.2.3 频域、时域性能指标之间的关系 209

第6章 控制系统的校正分析与仿真 219

6.1 控制系统的相位超前校正 219

6.2 控制系统的相位滞后校正 230

6.3 控制系统的相位滞后—超前校正 239

6.4 控制系统的PID校正 252

6.4.1 模拟PID调节器原理 252

6.4.2 模拟PID调节器的设计 253

6.4.3 模拟PID校正仿真分析实例 254

6.5 数字PID调节器的设计与仿真 270

6.5.1 数字PID调节器的脉冲传递函数 270

6.5.2 数字PID调节器的设计步骤 271

6.5.3 数字PID调节器的设计仿真实例 271

6.6 大林算法仿真分析 276

6.6.1 大林算法的基本思路 276

6.6.2 大林算法的实现 277

6.6.3 大林算法的仿真分析 278

6.7 史密斯预估补偿调节器仿真分析 283

6.7.1 史密斯预估补偿调节器的基本原理 283

6.7.2 史密斯预估补偿调节器的设计步骤 284

6.7.3 史密斯预估补偿法的仿真分析 285

参考文献 289