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第一章 概述 1

第一节 自动控制系统的基本概念 1

第二节 自动控制系统的基本结构形式 4

一、开环控制系统 4

二、闭环控制系统 4

三、开环与闭环控制系统的比较 6

第三节 自动控制系统的分类 9

一、按控制系统的结构分类 9

二、按系统给定信号的特征分类 9

三、按系统传输信号的性质分类 9

四、按系统的输入输出信号的数量分类 9

五、按系统的数学描述分类 10

六、按系统的参数是否随时间变化分类 11

第四节 对自动控制系统的基本要求 12

一、稳定性 12

二、瞬态性能 12

三、稳态误差 12

第五节 自动控制理论的发展概况 12

一、早期的自动控制系统 12

二、经典控制理论 13

三、现代控制理论 14

四、大系统控制理论与智能控制理论 14

第六节 本书的主要内容及结构体系 15

习题一 15

第二章 连续时间控制系统的数学模型 19

第一节 列写动态系统的微分方程 19

一、几个典型的例子 19

二、微分方程模型及相似系统 26

三、动态系统建模举例 27

第二节 状态及状态空间模型 31

一、状态空间的基本概念 31

二、状态空间模型的建立 33

三、关于状态空间模型的说明 39

第三节 特殊环节的建模及处理 41

一、纯滞后 41

二、分布参数 42

三、积分 43

四、高阶 44

五、非线性环节的线性化处理 45

第四节 控制系统中其他环节的数学模型 48

一、控制器的数学模型 48

二、测量元件的数学模型 49

三、执行机构的数学模型 51

第五节 传递函数与方块图 52

一、基本概念 52

二、关于传递函数的讨论 53

三、系统方块图 55

第六节 信号流图与梅逊公式 66

一、信号流图的基本构成 66

二、信号流图的绘制 67

三、梅逊增益公式 67

第七节 各种数学模型间的关系 70

一、由微分方程转换为状态方程 70

二、由状态空间表达式求传递函数 73

三、状态变换和状态变换中特征值的不变性 75

四、由传递函数求状态空间表达式 77

五、由方块图求系统状态空间表达式 81

本章小结 82

习题二 82

第三章 连续时间控制系统的时域分析 90

第一节 概述 90

一、概述 90

二、典型输入信号 90

第二节 微分方程的经典求解方法 92

一、系统的稳态响应求解 92

二、微分方程的暂态响应求解 95

三、暂态响应的时间常数 97

第三节 微分方程的拉氏变换求解方法 97

第四节 控制系统的性能指标及时域分析 99

一、控制系统的时域性能指标 99

二、控制系统的时域分析 103

第五节 高阶系统的暂态响应 113

一、高阶系统的阶跃响应 113

二、高阶系统的闭环主导极点 114

第六节 常规控制器及其对系统的影响 115

一、常规控制器的控制规律 115

二、控制器参数对控制过程的影响 118

三、测量滞后对控制过程的影响 120

第七节 状态方程的求解与分析 120

一、线性定常齐次状态方程的解 120

二、状态转移矩阵 122

三、线性定常状态方程的解 127

四、状态空间模型下的系统输出响应 128

第八节 被控对象的实验建模 130

一、常用的实验测试方法 130

二、输入测试信号 131

三、实验测试数据的处理 132

本章小结 134

习题三 135

第四章 连续时间控制系统的稳定性与稳态误差 139

第一节 劳斯稳定判据 139

一、稳定性 139

二、劳斯判据 141

三、劳斯判据的应用 145

四、赫尔维茨判据 147

第二节 反馈控制系统的稳态误差 148

一、稳态误差 148

二、反馈控制系统的“型” 149

三、稳态误差系数 153

第三节 等效单位负反馈系统 158

本章小结 159

习题四 159

第五章 根轨迹分析法 162

第一节 概述 162

一、根轨迹概念 162

二、闭环零、极点和开环零、极点之间的关系 164

三、根轨迹方程 165

第二节 根轨迹的绘制方法 166

第三节 广义根轨迹 183

一、参数根轨迹 183

二、零度根轨迹 185

三、纯滞后系统的根轨迹 187

第四节 基于根轨迹的系统性能分析 192

一、开环极点对系统性能的影响 192

二、开环零点对系统性能的影响 193

三、增益K的选取 195

第五节 基于根轨迹的系统补偿器设计 196

一、超前补偿器的设计 196

二、滞后补偿器的设计 198

三、PID控制器的设计 200

本章小结 201

习题五 202

第六章 频率特性分析法 206

第一节 概述 206

第二节 频率特性及其图示法 208

一、频率特性的定义 208

二、频率特性的图示法 209

第三节 开环系统典型环节分解和频率特性曲线的绘制 211

一、开环系统典型环节分解 211

二、典型环节的幅相曲线绘制 212

三、系统的开环幅相曲线绘制 216

四、典型环节Bode图的绘制 224

五、开环对数频率特性曲线绘制 228

六、由频域实验确定系统传递函数 233

第四节 奈奎斯特（Nyquist）稳定性判据 236

一、Nyquist稳定性判据 236

二、Nyquist稳定性判据的应用 241

三、稳定裕度 245

第五节 基于频率响应的补偿器设计 248

一、频域指标与时域指标的关系 248

二、超前补偿器的设计 250

三、滞后补偿器的设计 253

第六节 系统的闭环频率响应 256

一、闭环频率特性 257

二、等M圆 257

三、等N圆 258

本章小结 259

习题六 259

第七章 线性离散时间控制系统分析与综合 264

第一节 采样过程与采样定理 264

一、采样过程的数学描述 264

二、采样信号的频谱分析 265

三、采样定理 267

四、采样信号的复现 268

第二节Z变换基础 269

一、Z变换 270

二、Z变换的几个性质 271

三、Z反变换 272

四、改进Z变换 274

五、Z变换的局限性 277

第三节 线性离散系统的数学描述及求解 277

一、差分方程及其求解 277

二、脉冲传递函数 279

三、离散系统的状态空间模型 287

第四节 离散系统的分析与设计 298

一、离散系统的稳定性 298

二、基于z域的分析与设计 305

三、基于频率特性的分析与设计 310

第五节 数字控制系统简介 311

一、基于连续系统的分析与设计 311

二、基于离散系统的分析与设计 313

本章小结 317

习题七 317

第八章 线性定常系统的状态空间分析法 322

第一节 线性定常连续系统的能控性和能观性 322

一、直观理解 322

二、能控性定义和能观性定义 324

三、能控性判别 325

四、能观性判别 333

五、对偶原理 335

第二节 线性定常连续系统的线性变换与结构分解 336

一、非奇异线性变换 336

二、状态空间的几种标准型式 337

三、结构分解 340

四、状态空间描述与传递函数描述的关系 344

第三节 线性定常连续系统的状态反馈控制 346

一、状态反馈控制的基本概念 346

二、闭环线性系统的能控性与能观性 348

三、状态反馈极点配置 349

四、状态反馈镇定 356

第四节 最优控制 358

一、最优控制概述 358

二、线性系统二次型最优控制问题 359

三、状态调节器 361

第五节 线性定常连续系统的状态观测器 364

一、状态观测器 364

二、降维状态观测器 368

三、状态观测反馈系统（分离定理） 370

第六节 线性定常离散系统的状态空间分析法 372

一、离散系统的能控性 372

二、离散系统的能观性 373

三、连续系统与离散系统的关联与区别 374

四、连续动态系统离散化后的能控性与能观性 375

第七节 内模控制器设计 376

本章小结 378

习题八 378

第九章 非线性系统分析 383

第一节 控制系统中的典型非线性特性 383

一、典型非线性特性 383

二、非线性控制系统的特殊性 385

三、非线性控制系统的分析方法 386

第二节 相平面法 386

一、相平面的基本概念 386

二、相轨迹的性质 386

三、相轨迹的绘制 387

四、二阶线性系统的相轨迹 389

五、非线性系统的相轨迹 391

六、由相轨迹求时间解 392

七、相平面分析 392

第三节 描述函数法 396

一、描述函数的概念 397

二、典型非线性特性的描述函数 397

三、描述函数分析法 403

第四节 李雅普诺夫稳定性分析 409

一、自治系统及其平衡状态 409

二、李雅普诺夫稳定性定义 410

三、李雅普诺夫稳定性的间接判别法 412

四、李雅普诺夫稳定性的直接判别法 414

五、线性连续定常系统的李雅普诺夫稳定性分析 418

六、离散系统的李雅普诺夫稳定性分析 420

本章小结 421

习题九 422

附录 拉普拉斯变换 424

参考文献 428