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第1章 绪论 1

单元导学1：认识控制系统 1

1.1 自动控制系统的基本概念 1

1.1.1 控制系统发展的三个理论阶段 1

1.1.2 控制系统的基本构成 2

1.1.3 控制系统的分类 3

1.2 自动控制系统的分析和设计步骤 4

1.2.1 自动控制系统的基本要求 4

1.2.2 自动控制系统的分析和设计步骤 5

习题1 6

第2章 拉普拉斯变换 7

单元导学2：分析和设计控制系统时需要用到的数学工具 7

2.1 拉普拉斯变换的基本概念 7

2.1.1 拉氏变换的定义 8

2.1.2 基本环节的拉氏变换 8

2.2 拉普拉斯变换的常用性质和定理 9

2.2.1 线性性质 9

2.2.2 微分性质 10

2.2.3 积分性质 10

2.2.4 延迟性质 11

2.2.5 复位移性质 11

2.2.6 初值定理 12

2.2.7 终值定理 12

2.3 拉普拉斯反变换 13

2.3.1 象函数的根互不相同 13

2.3.2 象函数有重根 14

单元导学3：拉氏变换的应用 16

2.4 用拉普拉斯变换求解微分方程 16

习题2 18

第3章 控制系统的数学模型 19

单元导学4：控制系统的数学模型之传递函数 19

3.1 系统的微分方程 19

3.2 传递函数 19

3.2.1 传递函数的定义 20

3.2.2 传递函数的性质 21

3.2.3 基本RLC网络的复阻抗 23

单元导学5：控制系统的数学模型之结构图 25

3.3 系统结构图 25

3.3.1 结构图的四个基本要素 25

3.3.2 闭环控制系统的结构图 25

3.3.3 典型环节构成的系统 26

3.3.4 结构图的化简 28

单元导学6：控制系统的数学模型之信号流图 36

3.4 信号流图与梅森公式 36

3.4.1 信号流图的基本元素 36

3.4.2 梅森（MASON）公式 39

习题3 41

第4章 控制系统的时域分析 43

单元导学7：控制系统的首要特性——稳定性 43

4.1 线性系统的稳定性 43

4.1.1 稳定性的定义 43

4.1.2 线性系统稳定的充要条件 44

单元导学8：稳定性判据——劳斯判据 48

4.2 劳斯判据 48

4.2.1 稳定判据 48

4.2.2 两种特例的处理 50

4.3 劳斯判据的应用 54

4.3.1 确定参数的取值范围 54

4.3.2 控制系统的相对稳定性 55

单元导学9：一阶系统的动态分析 57

4.4 一阶系统的时域分析 57

4.4.1 典型的输入测试信号 57

4.4.2 一阶系统的典型结构 58

4.4.3 一阶系统的单位阶跃响应 58

4.4.4 一阶系统的设计 60

单元导学10：二阶系统的动态分析 61

4.5 二阶系统的时域分析 61

4.5.1 二阶系统的典型结构 61

4.5.2 阻尼比与单位阶跃响应 62

4.5.3 动态性能指标 64

4.5.4 主要参数与系统动态性能的关系 66

4.6 二阶系统的设计 67

4.6.1 已知开环传递函数求主要参数 67

4.6.2 已知闭环传递函数求动态性能指标 67

4.6.3 已知动态性能指标求传递函数 69

4.6.4 已知单位阶跃响应求传递函数 69

单元导学11：控制系统的稳态分析 72

4.7 控制系统的稳态误差 72

4.7.1 基本概念 72

4.7.2 稳态误差的计算 73

4.7.3 扰动误差的概念 80

习题4 82

第5章 根轨迹法 84

单元导学12：控制系统特性分析的图解法之根轨迹 84

5.1 基本概念 84

5.1.1 根轨迹的定义 84

5.1.2 根轨迹的开环传递函数 86

5.1.3 根轨迹的增益 87

单元导学13：根轨迹满足的两个基本条件 88

5.2 根轨迹的基本条件 88

单元导学14：根轨迹的绘制 91

5.3 绘制根轨迹的基本法则一 91

5.3.1 根轨迹的连续性、对称性 91

5.3.2 根轨迹的起点与终点 91

5.3.3 根轨迹的数量 92

5.3.4 实轴上的根轨迹段落 92

5.4 绘制根轨迹的基本法则二 93

5.4.1 根轨迹的渐近线 93

5.4.2 根轨迹在实轴上的分离点和会合点 94

5.4.3 根轨迹与虚轴的交点 97

5.5 绘制根轨迹的基本法则三 99

5.5.1 开环共轭复极点的出射角 99

5.5.2 开环共轭复零点的入射角 100

单元导学15：根轨迹的一些特性 106

5.6 根轨迹中闭环极点的计算 106

5.6.1 闭环极点的和与积 106

5.6.2 添加开环极零点对根轨迹的影响 107

单元导学16：根轨迹的应用 110

5.7 根轨迹的应用——比例控制 110

习题5 115

第6章 控制系统的频率分析 117

单元导学17：频率特性的定义和概念 117

6.1 频率特性的基本概念 117

6.1.1 频率特性的定义 117

6.1.2 频率特性的性质 121

6.1.3 常用的频率特性表示方法 121

单元导学18：乃奎斯特稳定判据 124

6.2 幅角原理与乃奎斯特稳定判据 124

6.2.1 柯西（Cauchy）幅角原理 124

6.2.2 乃奎斯特稳定判据 126

单元导学19：频率特性图解法之乃奎斯特图 129

6.3 乃奎斯特图的绘制 129

6.3.1 开环对象在乃奎斯特围线上无奇异点 129

6.3.2 开环对象含有积分环节时的乃奎斯特图 131

单元导学20：幅值裕量和相角裕量 136

6.4 乃奎斯特稳定裕量 136

6.4.1 幅值裕量的基本概念 136

6.4.2 相位裕量的基本概念 138

单元导学21：频率特性图解法之波特图 140

6.5 对数频率特性法 140

6.5.1 对数频率特性图的坐标 140

6.5.2 典型环节的波特图 142

6.5.3 绘制开环系统波特图的步骤 150

单元导学22：稳定裕量在波特图中的表示 156

6.6 波特图中的频域指标 156

6.6.1 波特图中的稳态裕量表示 156

6.6.2 闭环频域特性及其频域性能指标 159

6.6.3 频域性能指标与时域性能指标的关系 159

6.6.4 对数幅频特性图中反映的动态性能 161

习题6 163

第7章 反馈控制系统的设计 165

单元导学23：系统校正 165

7.1 系统设计方法介绍 165

7.1.1 控制系统的性能指标 165

7.1.2 校正方式 166

7.1.3 PID校正 166

单元导学24：超前校正与滞后校正 169

7.2 超前校正与滞后校正 169

7.2.1 超前校正 169

7.2.2 滞后校正 171

7.2.3 滞后—超前校正 173

单元导学25：利用根轨迹设计系统校正环节 175

7.3 利用根轨迹的系统校正 175

7.3.1 时域性能和期望极点 175

7.3.2 串联超前校正 175

7.3.3 串联滞后校正 178

单元导学26：利用波特图设计系统校正环节 181

7.4 利用频率特性的系统校正 181

7.4.1 期望的开环频率特性模型 181

7.4.2 串联超前校正 182

7.4.3 串联滞后校正 184

习题7 187

参考文献 188

附录 189