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第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.1.1自动控制理论的发展 1

1.1.2人工控制与自动控制 1

1.1.3开环控制与闭环控制 2

1.1.4闭环控制系统的基本组成和术语定义 4

1.2自动控制系统的分类 4

1.2.1线性控制系统和非线性控制系统 5

1.2.2恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统 5

1.2.3连续控制系统和离散控制系统 6

1.3对自动控制系统的基本性能要求 6

1.3.1稳定性 7

1.3.2快速性 7

1.3.3准确性 8

1.4 MATLAB-Simulink介绍 8

1.5本章小结 8

思考题与习题 9

第2章 控制系统的数学模型 10

2.1微分方程 10

2.1.1系统微分方程的建立 10

2.1.2建立微分方程的步骤 11

2.2传递函数 13

2.2.1传递函数的定义 13

2.2.2传递函数的性质 14

2.3典型环节的传递函数 15

2.3.1比例环节 15

2.3.2积分环节 15

2.3.3惯性环节 16

2.3.4微分环节 16

2.3.5振荡环节 17

2.3.6延迟环节 17

2.4动态结构图的等效变换 17

2.4.1动态结构图的建立 17

2.4.2动态结构图的等效变换法则 19

2.4.3动态结构图的等效变换举例 21

2.5自动控制系统的传递函数 23

2.5.1闭环控制系统的开环传递函数 23

2.5.2闭环传递函数 23

2.6信号流图 25

2.6.1信号流图的术语和性质 25

2.6.2信号流图的绘制 26

2.7梅逊公式 27

2.7.1梅逊公式的定义 28

2.7.2应用梅逊公式求系统闭环传递函数举例 28

2.8利用MATLAB建立控制系统模型 30

2.8.1时间常数形式的传递函数模型表示 30

2.8.2零极点形式的传递函数模型表示 31

2.8.3模型的转换和连接 31

2.9案例分析与设计 32

2.10本章小结 36

思考题与习题 36

第3章 时域分析法 39

3.1典型输入信号和时域性能指标 39

3.1.1典型输入信号 39

3.1.2阶跃响应的动态性能指标 40

3.1.3稳态性能指标 41

3.2一阶系统的时域分析 41

3.2.1单位阶跃响应 41

3.2.2单位脉冲响应 42

3.2.3单位斜坡响应 42

3.3二阶系统的时域分析 43

3.3.1典型的二阶系统 43

3.3.2二阶系统的单位阶跃响应 44

3.3.3系统的暂态性能指标 45

3.4高阶系统的时域分析 49

3.5系统的稳定性分析 50

3.5.1系统稳定性的充分必要条件 50

3.5.2劳斯-赫尔维茨稳定判据 51

3.5.3代数稳定判据的应用 54

3.6稳态误差计算 57

3.6.1稳态误差的定义和计算 57

3.6.2给定输入下的稳态误差 58

3.6.3扰动输入作用下的稳态误差 61

3.6.4减小稳态误差的方法 63

3.7应用MATLAB求控制系统的时域响应 64

3.8案例分析与设计 67

3.9本章小结 68

思考题与习题 69

第4章 根轨迹分析法 71

4.1根轨迹的基本概念 71

4.1.1根轨迹的概念 71

4.1.2根轨迹方程及绘制条件 72

4.2绘制根轨迹的基本规则 73

4.2.1基本规则 73

4.2.2绘制根轨迹举例 79

4.3广义根轨迹 81

4.3.1参数根轨迹 81

4.3.2零度根轨迹 82

4.4应用MATLAB绘制控制系统的根轨迹 83

4.5案例分析与设计 85

4.6本章小结 87

思考题与习题 88

第5章 频率分析法 90

5.1频率特性的基本概念 90

5.1.1频率响应 90

5.1.2频率特性 91

5.1.3频率特性与传递函数的关系 92

5.1.4频率特性的表示方法 92

5.2对数坐标图 92

5.2.1对数坐标图的特点 92

5.2.2典型环节的对数坐标图 94

5.2.3开环传递函数的对数坐标图 101

5.2.4系统类型与对数幅频特性曲线之间的关系 103

5.3幅相频率特性图 107

5.3.1典型环节的奈奎斯特图 107

5.3.2开环传递函数概略奈奎斯特图的绘制 111

5.4奈奎斯特稳定性判据 114

5.4.1幅角原理 114

5.4.2开环传递函数虚轴上无极点时的奈奎斯特稳定性判据 115

5.4.3开环传递函数虚轴上存在极点时的奈奎斯特稳定性判据 119

5.5系统的相对稳定性 121

5.5.1增益裕量 122

5.5.2相位裕度 122

5.6系统的闭环频率特性 123

5.7系统的频域性能指标和时域性能指标的关系 124

5.7.1开环频域指标与时域指标的关系 124

5.7.2闭环频域指标与时域指标的关系 127

5.7.3开环对数频率特性曲线与系统时域性能指标之间的关系 128

5.8应用MATLAB绘制系统的频率特性曲线 129

5.9案例分析与设计 131

5.10本章小结 134

思考题与习题 134

第6章 控制系统的校正 138

6.1系统校正的基本概念 138

6.1.1性能指标 138

6.1.2系统的校正 138

6.2常用控制规律 139

6.2.1 P控制规律 139

6.2.2 PD控制规律 140

6.2.3 PI控制规律 141

6.2.4 PID控制规律 141

6.3基于频率法的串联校正设计 142

6.3.1串联超前校正 142

6.3.2串联滞后校正 146

6.3.3串联滞后-超前校正 149

6.4按期望特性进行串联校正 151

6.5应用MATLAB进行校正设计 153

6.6案例分析与设计 157

6.7本章小结 160

思考题与习题 161

第7章 离散控制系统 162

7.1离散控制系统的基本概念 162

7.2信号的采样与复现 163

7.2.1香农采样定理 163

7.2.2零阶保持器的原理 164

7.3离散控制系统的数学模型 166

7.3.1差分方程 166

7.3.2 z变换与z反变换 167

7.3.3脉冲传递函数的定义 170

7.3.4开环系统的脉冲传递函数 171

7.3.5闭环系统的脉冲传递函数 173

7.4离散系统的性能分析 176

7.4.1离散系统的稳定性条件和代数判据 176

7.4.2离散系统的稳态误差 179

7.4.3离散系统的动态性能 181

7.5应用MATLAB进行离散系统分析 183

7.6案例分析与设计 185

7.7本章小结 186

思考题与习题 187

第8章 现代控制理论初步 189

8.1控制系统的状态空间描述 189

8.1.1状态变量和状态空间方程 189

8.1.2线性定常连续系统状态空间表达式的建立 190

8.1.3状态空间表达式的线性变换 192

8.1.4传递函数与状态方程之间的转换 192

8.1.5状态图 197

8.2线性定常系统状态方程的解 198

8.2.1线性系统状态方程的解 198

8.2.2状态转移矩阵的计算 199

8.3线性定常系统的能控性和能观性 200

8.3.1能控性 201

8.3.2能观性 201

8.3.3能控、能观标准型的线性变换 202

8.3.4对偶原理 205

8.4线性定常系统的极点配置 205

8.4.1状态反馈 205

8.4.2状态反馈极点配置定理 206

8.4.3求状态反馈矩阵K的待定系数法 206

8.4.4求状态反馈矩阵K的能控标准型法 207

8.5状态观测器 209

8.5.1全维状态观测器 209

8.5.2配置极点求观测器增益矩阵的待定系数法 211

8.5.3配置极点求观测器增益矩阵的能观标准型法 212

8.5.4带状态观测器的状态反馈系统 213

8.6李雅普诺夫稳定性分析 215

8.6.1李雅普诺夫关于稳定性的定义 215

8.6.2李雅普诺夫判断系统稳定性的方法 217

8.6.3线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析 218

8.7案例分析与设计 219

8.8本章小结 222

思考题与习题 223

第9章 非线性系统分析 226

9.1控制系统的非线性特性 226

9.1.1典型的非线性特性 226

9.1.2非线性系统的特性 228

9.1.3非线性控制系统的分析研究方法 229

9.2相平面法 229

9.2.1相轨迹的基本概念 230

9.2.2相轨迹的基本性质 231

9.2.3相轨迹的绘制 231

9.2.4由相平面图求时间解 234

9.2.5奇点和极限环 234

9.2.6非线性控制系统的相平面分析 236

9.3描述函数法 238

9.3.1描述函数的基本概念 238

9.3.2典型非线性特性的描述函数 239

9.3.3非线性控制系统的描述函数分析 240

9.4案例分析与设计 242

9.5本章小结 243

思考题与习题 243

附录 245

附录A常见拉普拉斯变换及z变换表 245

附录B控制理论中常用的中英文词组 246

参考文献 249