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第1章 自动控制的一般概念 1

1.1 引言 1

1.2 自动控制的基本原理 1

1.2.1 自动控制问题的引出 1

1.2.2 控制方式 4

1.3 自动控制系统的基本组成 8

1.4 自动控制系统示例 9

1.4.1 函数记录仪 9

1.4.2 磁盘驱动读取系统 10

1.4.3 导弹发射架的方位控制 11

1.4.4 机器人 12

1.5 自动控制系统的分类 12

1.5.1 按给定输入信号特征分类 12

1.5.2 按系统的数学特性分类 13

1.5.3 其他类型的分类 14

1.6 对自动控制系统的基本要求 14

1.7 控制分析与MATLAB 15

1.7.1 控制系统工具箱（Control System Toolbox） 16

1.7.2 MATLAB辅助分析与设计 16

1.8 自动控制理论的发展概况 16

1.8.1 早期的自动控制 16

1.8.2 经典控制理论 17

1.8.3 现代控制理论 18

1.9 小结 18

习题 19

第2章 控制系统的数学模型 22

2.1 引言 22

2.2 控制系统的时域数学模型 22

2.2.1 线性元件的微分方程建立 22

2.2.2 控制系统微分方程的建立与求解 27

2.2.3 线性系统的基本特性 29

2.2.4 非线性微分方程的线性化 29

2.3 线性系统的传递函数 31

2.3.1 传递函数的定义和性质 31

2.3.2 典型元部件的传递函数 34

2.4 系统结构图及其等效变换 39

2.4.1 结构图的组成与绘制 39

2.4.2 结构图的等效变换 41

2.5 信号流图及梅逊公式 47

2.5.1 信号流图的组成及性质 47

2.5.2 信号流图的绘制 48

2.5.3 梅逊增益公式 50

2.6 闭环系统的传递函数 52

2.6.1 输入信号作用下的闭环传递函数 52

2.6.2 扰动作用下的闭环传递函数 52

2.6.3 闭环系统的误差传递函数 53

2.7 控制系统建模的MATLAB方法 53

2.7.1 控制系统模型描述 53

2.7.2 模型转换 53

2.7.3 系统连接 54

2.8 数学模型的实验测定法 54

2.9 小结 56

习题 56

第3章 线性系统的时域分析 61

3.1 反馈控制系统的特性及基本分析 61

3.1.1 开环和闭环控制 61

3.1.2 控制系统的瞬态响应 62

3.1.3 反馈控制系统的干扰信号 63

3.1.4 稳态误差 66

3.1.5 反馈的代价 67

3.2 控制系统时间响应的性能指标 67

3.2.1 典型输入信号 68

3.2.2 控制系统的时间响应过程 69

3.2.3 控制系统的时域性能指标 69

3.3 一阶系统的时域分析 70

3.3.1 一阶系统的数学模型 71

3.3.2 一阶系统的单位阶跃响应 71

3.3.3 一阶系统的单位脉冲响应 72

3.3.4 一阶系统的单位斜坡响应 72

3.4 二阶系统的时域分析 73

3.4.1 二阶系统的数学模型 73

3.4.2 二阶系统的单位阶跃响应 75

3.4.3 二阶系统动态性能指标计算 77

3.4.4 改善二阶系统性能的常用方法 82

3.5 高阶系统的时域分析 87

3.5.1 高阶系统的阶跃响应 87

3.5.2 高阶系统的闭环主导极点和动态性能分析 90

3.6 线性系统的稳定性 91

3.6.1 稳定的概念 91

3.6.2 线性系统稳定的充要条件 92

3.6.3 线性系统稳定的代数判据 93

3.7 线性系统的稳态误差 98

3.7.1 误差与稳态误差 99

3.7.2 给定信号作用下的稳态误差计算 100

3.7.3 扰动作用下的稳态误差计算 103

3.7.4 提高系统控制精度的措施 105

3.8 基本控制律分析 108

3.8.1 比例（P）控制律 109

3.8.2 比例-微分（PD）控制律 109

3.8.3 积分（I）控制律 109

3.8.4 比例-积分（PI）控制律 110

3.8.5 比例-积分-微分（PID）控制律 110

3.9 线性系统时域分析的MATLAB方法 112

3.9.1 稳定性分析 113

3.9.2 动态性能和稳态性能分析 113

3.1 0小结 113

习题 114

第4章 线性系统的根轨迹法 120

4.1 控制系统的根轨迹 120

4.1.1 根轨迹的基本概念 120

4.1.2 闭环零极点与开环零极点的关系 122

4.1.3 根轨迹方程 123

4.2 根轨迹的绘制法则 124

4.3 其他形式的根轨迹 134

4.3.1 参数根轨迹 134

4.3.2 零度根轨迹 135

4.4 基于MATLAB的根轨迹图绘制 138

4.4.1 rlocus 138

4.4.2 rlocfind 138

4.5 根轨迹法分析 139

4.5.1 闭环零点、极点与时间响应 139

4.5.2 系统性能的定性分析 140

4.6 小结 145

习题 145

第5章 线性系统的频域分析法 148

5.1 频率特性 148

5.1.1 频率特性的基本概念 148

5.1.2 频率特性的图形表示方法 150

5.2 典型环节的伯德图 152

5.2.1 比例环节 152

5.2.2 积分环节和微分环节 153

5.2.3 惯性环节和一阶微分环节 154

5.2.4 振荡环节 156

5.2.5 二阶微分环节 157

5.2.6 延迟环节 158

5.3 开环系统的伯德图 158

5.3.1 开环伯德图的绘制 158

5.3.2 最小相位系统 161

5.4 典型环节的极坐标图及开环系统极坐标图绘制 162

5.4.1 典型环节的极坐标图 162

5.4.2 开环极坐标图及近似绘制 165

5.5 频域稳定性判据 168

5.5.1 辅助函数F（s） 168

5.5.2 幅角原理 169

5.5.3 奈奎斯特稳定性判据 170

5.5.4 伯德图上的稳定性判据 173

5.6 稳定裕度 174

5.6.1 相位裕度 175

5.6.2 幅值裕度 175

5.7 闭环频率特性 177

5.7.1 基本关系 177

5.7.2 矢量表示法 177

5.7.3 闭环频率特性 177

5.8 基于MATLAB的频率特性图绘制 178

5.8.1 伯德（Bode）图 178

5.8.2 奈奎斯特曲线 178

5.9 频率特性分析 179

5.9.1 三频段的概念 180

5.9.2 开环频域指标与时域指标的关系 181

5.9.3 闭环频域指标与时域指标的关系 182

5.1 0小结 184

习题 185

第6章 控制系统的综合与校正 188

6.1 控制系统校正的基本概念 188

6.1.1 性能指标 189

6.1.2 校正方式 189

6.1.3 校正的设计方法 191

6.2 常用校正装置及其特性 192

6.2.1 串联超前校正网络 192

6.2.2 串联滞后校正网络 194

6.2.3 串联滞后-超前校正网络 196

6.3 串联校正的频域法设计 197

6.3.1 串联超前校正设计 197

6.3.2 串联滞后校正设计 202

6.3.3 串联滞后-超前校正设计 207

6.4 反馈校正与复合校正 210

6.4.1 反馈校正的原理与特点 210

6.4.2 复合校正 212

6.5 PID控制器的参数整定 216

6.5.1 衰减曲线法 217

6.5.2 稳定边界法（Ultimate Sensitivity Method） 217

6.6 小结 218

习题 219

第7章 非线性系统 223

7.1 控制系统的非线性特性 223

7.1.1 典型的非线性特性 223

7.1.2 非线性系统的若干特征 225

7.1.3 非线性控制系统的分析方法 226

7.2 描述函数法 227

7.2.1 描述函数定义 227

7.2.2 典型非线性特性的描述函数 228

7.2.3 非线性系统描述函数法分析 231

7.3 相平面法 235

7.3.1 相平面法的基本概念 235

7.3.2 相平面图的绘制 236

7.3.3 相轨迹的基本特性 236

7.3.4 非线性系统的相平面法分析 239

7.4 非线性系统分析的MATLAB方法 242

7.4.1 微分方程高阶数值解法 242

7.4.2 综合运用：非线性系统的稳定性分析 242

7.5 小结 244

习题 244

第8章 离散控制系统 246

8.1 离散控制系统基本概念 246

8.1.1 采样控制系统 246

8.1.2 数字控制系统 247

8.1.3 离散控制系统的特点 247

8.2 信号采样和复现 248

8.2.1 信号采样 248

8.2.2 采样信号频谱分析 248

8.2.3 采样定理 250

8.2.4 信号复现 250

8.3 Z变换及反变换 252

8.3.1 Z变换定义 252

8.3.2 Z变换的求法 252

8.3.3 Z变换的性质 254

8.3.4 Z反变换 255

8.4 离散系统的数学模型 256

8.4.1 差分方程 256

8.4.2 脉冲传递函数 258

8.5 离散控制系统性能分析 265

8.5.1 离散控制系统的稳定性 265

8.5.2 离散控制系统的稳态误差 270

8.5.3 离散系统动态性能 273

8.6 线性离散系统分析的MATLAB方法 275

8.6.1 连续系统的离散化 275

8.6.2 离散系统时域分析 275

8.6.3 综合运用 275

8.7 小结 277

习题 277

附录A 拉氏变换与反变换 280

附录B MATLAB常用命令索引 292

参考文献 294