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第1章 自动控制系统导论 1

1.1引言 1

1.1.1自动控制概念 1

1.1.2自动控制技术应用 1

1.1.3自动控制系统的基本控制方式 2

1.2反馈控制原理与示例 3

1.2.1反馈控制原理 3

1.2.2开环控制与反馈控制系统示例 5

1.2.3反馈控制系统的基本组成 8

1.3自动控制发展简史 10

1.4自动控制系统的分类 11

1.4.1线性连续控制系统 11

1.4.2线性定常离散控制系统 12

1.4.3非线性控制系统 12

1.5对自动控制系统的基本要求 13

1.5.1基本要求 13

1.5.2典型外作用 14

1.6控制系统设计概述及设计实例 15

1.6.1控制系统设计概论 15

1.6.2设计示例1：胰岛素注射控制系统 16

1.6.3设计示例2：磁盘驱动读取系统 17

习题1 18

第2章 自动控制系统的数学模型 21

2.1引言 21

2.2自动控制系统时域数学模型的建立 21

2.2.1自动控制元件运动方程的建立 21

2.2.2线性系统的基本特性 24

2.2.3运动的模态 24

2.3数学模型的线性化 24

2.4传递函数 26

2.4.1传递函数的定义和性质 26

2.4.2传递函数的极点与零点 28

2.5典型环节——传递函数的基本因子 30

2.5.1比例环节G（s）=K 30

2.5.2一阶惯性环节G（s）=1/（Ts+1） 31

2.5.3理想微分环节G（s）=Ks 32

2.5.4积分环节G（s）=K/s（其中K为常数） 32

2.5.5二阶振荡环节G（s）=K/T2s2+2ξTs+1（0＜ξ＜1 33

2.6结构图及其等效变换 34

2.6.1结构图的基本概念 34

2.6.2结构图的绘制 35

2.6.3结构图等效变换 36

2.7信号流图及梅森增益公式 39

2.7.1信号流图的基本概念 39

2.7.2梅森增益公式 40

2.7.3信号流图的绘制 42

2.8开环传递函数与闭环传递函数 45

2.8.1开环传递函数 45

2.8.2闭环传递函数 45

2.9设计示例：磁盘驱动读取系统 46

2.10控制系统在MATLAB中的描述及部分分式展开 48

2.10.1控制系统在MATLAB中的描述 48

2.10.2部分分式展开 49

习题2 50

第3章 自动控制系统的时域分析 54

3.1引言 54

3.2线性系统的稳定性分析 55

3.2.1稳定性定义 55

3.2.2系统稳定的充分必要条件 55

3.3劳斯稳定性判据 57

3.3.1劳斯稳定性判据 57

3.3.2应用劳斯判据确定系统参数 59

3.4过渡过程的基本概念 61

3.4.1过渡过程定义 61

3.4.2单位阶跃响应及其性能指标 62

3.5一阶系统的时域分析 63

3.5.1一阶系统的单位阶跃响应 63

3.5.2一阶系统的单位脉冲响应 64

3.5.3一阶系统的单位斜坡响应 64

3.5.4一阶系统的单位加速度响应 65

3.6典型二阶系统的时域分析 65

3.6.1二阶系统的数学模型 65

3.6.2二阶系统的单位阶跃响应 66

3.6.3二阶系统的瞬态响应指标 69

3.7第三个极点和零点对二阶系统响应的影响 73

3.7.1第三个极点对二阶系统响应的影响 73

3.7.2附加零点对典型二阶系统单位阶跃响应的影响 73

3.7.3小结 75

3.8高阶系统的单位阶跃响应 75

3.8.1单位阶跃响应表达式 75

3.8.2主导极点和等效二阶系统 77

3.9线性系统的稳态误差分析 79

3.9.1引言 79

3.9.2误差与稳态误差 79

3.9.3三种标准测试输入信号下的稳态误差 80

3.9.4动态误差系数 83

3.9.5扰动作用下的稳态误差 85

3.9.6减小或消除稳态误差的措施 87

3.10设计实例 90

3.10.1磁盘驱动读取系统 90

3.10.2磁盘驱动读取系统（续） 92

3.10.3英吉利海峡海底隧道钻机 93

3.10.4火星漫游车转向控制 95

3.11用MATLAB进行系统的时域分析 97

习题3 99

第4章 根轨迹法 104

4.1引言 104

4.2根轨迹的基本概念 104

4.2.1二阶系统的根轨迹 104

4.2.2辐角条件和幅值条件 105

4.3根轨迹绘制的基本法则 107

4.4根轨迹草图绘制举例 117

4.5参量根轨迹 122

4.6增加极点或零点对根轨迹的影响 124

4.7设计实例 125

4.8应用MATLAB绘制分析根轨迹 127

习题4 128

第5章 频域分析法 130

5.1引言 130

5.2频率特性的基本概念 130

5.2.1频率特性的基本概念 130

5.2.2频率特性的几何表示法 132

5.3典型环节的频率特性 134

5.3.1比例环节的频率特性 134

5.3.2积分环节的频率特性 134

5.3.3微分环节的频率特性 136

5.3.4惯性环节的频率特性 136

5.3.5一阶微分环节的频率特性 138

5.3.6振荡环节的频率特性 138

5.3.7不稳定惯性环节的频率特性 142

5.3.8延时环节的频率特性 142

5.4开环系统的频率特性 144

5.4.1最小相位与非最小相位系统 144

5.4.2开环幅相频率特性作图法 145

5.4.3开环系统的对数频率特性曲线 148

5.4.4传递函数的频域实验确定 150

5.5奈奎斯特稳定性判据 152

5.5.1引言 152

5.5.2辐角原理 153

5.5.3奈奎斯特稳定性判据 155

5.5.4开环系统含有积分环节时奈氏判据的推广 157

5.5.5对数频率稳定性判据 159

5.6稳定裕度 161

5.7控制系统频率特性与过渡过程的关系 164

5.7.1控制系统的频带宽度 164

5.7.2二阶闭环系统的频域指标与时域指标的关系 165

5.7.3开环频域指标和时域指标的关系 167

5.7.4闭环系统频域指标和开环频域指标的转换 170

5.8设计实例 171

5.9控制系统频域响应分析中的MATLAB指令 174

5.9.1频率响应的计算方法 174

5.9.2频率响应曲线绘制 174

习题5 176

第6章 控制系统校正 179

6.1引言 179

6.1.1控制系统校正的基本概念 179

6.1.2控制系统设计方法 180

6.2频率法校正的基本概念 181

6.2.1频率法校正原理 181

6.2.2系统频域指标 182

6.2.3期望的开环频率特性 182

6.3常用校正装置及其特性 189

6.3.1无源超前网络 189

6.3.2无源滞后网络 191

6.3.3无源滞后-超前网络 192

6.4串联校正 193

6.4.1串联超前校正 193

6.4.2串联滞后校正 198

6.4.3串联滞后-超前校正 201

6.4.4基于综合法的串联滞后-超前校正 204

6.5标准传递函数法 207

6.5.1按ITAE准则确定标准传递函数 207

6.5.2按巴特沃斯滤波器确定标准传递函数 208

6.5.3最小节拍响应确定标准传递函数 211

6.5.4标准传递函数法综合串联校正装置举例 213

6.6反馈校正 213

6.6.1反馈校正的一般特性 213

6.6.2比例反馈包围惯性环节 214

6.6.3微分反馈包围积分环节和惯性环节相串联的元件 214

6.6.4微分反馈包围振荡环节 214

6.6.5一阶微分和二阶微分反馈包围由积分环节和振荡环节相串联组成的元件 215

6.7 PID控制器 215

6.7.1 PID控制器简介 215

6.7.2确定PID参数几种方法简介 217

6.8复合校正 221

6.8.1按扰动补偿的复合校正 221

6.8.2按输入补偿的复合校正 222

6.9设计实例 224

习题6 226

第7章 非线性系统 230

7.1概述 230

7.1.1研究非线性控制理论的意义 230

7.1.2非线性系统的特点 230

7.1.3常见非线性特性 231

7.1.4非线性系统的分析方法 232

7.2描述函数法 233

7.2.1描述函数的基本概念 233

7.2.2描述函数计算举例 235

7.3描述函数分析 241

7.3.1非线性系统的稳定性分析 241

7.3.2自激振荡的稳定性 242

习题7 246

第8章 线性离散系统分析 249

8.1离散控制系统的基本概念 249

8.2信号的采样与保持 251

8.2.1采样过程及其数学描述 251

8.2.2采样定理 253

8.2.3信号的复现 256

8.3 Z变换理论 258

8.3.1 Z变换的定义 258

8.3.2 Z变换的求法 259

8.3.3 Z变换的性质 263

8.3.4 Z反变换 266

8.4离散系统的数学模型 267

8.4.1线性常系数差分方程及其解法 267

8.4.2脉冲传递函数 269

8.5离散系统的稳定性与稳态误差 275

8.5.1离散系统稳定的充要条件 275

8.5.2离散系统的稳定性判据 277

8.5.3离散系统的稳态误差 279

8.6离散系统的时域响应 282

8.7应用MATLAB分析离散系统 284

习题8 287

附录A拉氏变换与反变换 290

参考文献 299