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第1章 绪论 1

1.1 开环控制系统和闭环控制系统 1

1.1.1 开环控制系统 1

1.1.2 闭环控制系统 2

1.1.3 闭环控制系统示例 4

1.2 闭环控制系统的基本组成 7

1.3 自动控制系统的分类 8

1.3.1 恒值控制系统、随动系统和程序控制系统 8

1.3.2 线性控制系统和非线性控制系统 10

1.3.3 连续控制系统和离散控制系统 10

1.3.4 确定性系统和不确定性系统 11

1.3.5 单输入单输出系统与多输入多输出系统 11

1.3.6 集中参数系统和分布参数系统 12

1.4 自动控制系统的分析和设计 12

1.4.1 控制系统分析 12

1.4.2 控制系统设计 13

1.5 自动控制理论的发展简史 13

1.5.1 经典控制理论阶段 13

1.5.2 现代控制理论阶段 15

小结 16

习题 16

第2章 控制系统的数学模型 19

2.1 控制系统的时域数学模型 19

2.1.1 线性系统微分方程的建立 19

2.1.2 微分方程建立举例 20

2.1.3 线性常系数微分方程的求解 24

2.2 控制系统的复域数学模型 25

2.2.1 传递函数的定义 26

2.2.2 传递函数的一般表达式 26

2.2.3 传递函数的性质 27

2.3 典型环节的传递函数 27

2.3.1 比例环节（Proportional Element） 28

2.3.2 积分环节（Integrating Element） 28

2.3.3 理想微分环节（Ideal Derivative Element） 31

2.3.4 惯性环节（Inertial Element） 31

2.3.5 比例微分环节（Proportional-Derivative Element） 33

2.3.6 振荡环节（Oscillating Element） 34

2.3.7 延迟环节（Delay Element） 37

2.4 控制系统的结构图 38

2.4.1 功能框图（Block Diagram） 39

2.4.2 系统框图的画法 39

2.4.3 典型自动控制系统的框图 41

2.4.4 框图的等效变换 42

2.5 信号流图 49

2.5.1 信号流图的基本概念 49

2.5.2 信号流图的绘制 51

2.5.3 信号流图的简化 52

2.5.4 梅逊（Mason）公式及应用 54

小结 55

习题 56

第3章 控制系统的时域分析 60

3.1 典型输入信号 60

3.1.1 阶跃信号 60

3.1.2 斜坡信号 60

3.1.3 等加速度信号 61

3.1.4 脉冲信号 61

3.1.5 正弦信号 62

3.2 线性系统的时域性能指标 62

3.3 一阶系统的时域分析 63

3.3.1 单位阶跃响应 64

3.3.2 单位速度响应 65

3.3.3 单位加速度响应 65

3.3.4 单位脉冲响应 65

3.4 二阶系统的时域分析 66

3.4.1 传递函数的推导 66

3.4.2 二阶系统的单位阶跃响应 68

3.4.3 二阶系统阶跃响应的动态性能指标 71

3.4.4 具有零点的二阶系统分析 76

3.4.5 二阶系统的性能改善 78

3.5 高阶系统的时域响应 80

3.5.1 高阶系统的单位阶跃响应 81

3.5.2 闭环零、极点对系统性能的影响 82

3.5.3 利用主导极点估算系统的动态性能指标 82

3.6 控制系统的稳定性 83

3.6.1 稳定性概念 83

3.6.2 线性系统稳定的充要条件 84

3.6.3 线性系统稳定的必要条件 85

3.6.4 代数稳定性判据 85

3.6.5 劳斯稳定判据的应用 90

3.7 控制系统的稳态误差 91

3.7.1 误差和稳态误差 92

3.7.2 给定作用下的稳态误差 94

3.7.3 给定作用下动态误差系数 97

3.7.4 扰动作用下的稳态误差 99

3.7.5 扰动作用下动态误差系数 102

3.8 用MATLAB对线性系统进行时域响应分析 103

小结 109

习题 110

第4章 线性系统的根轨迹分析 114

4.1 根轨迹概述 114

4.1.1 根轨迹的概念 114

4.1.2 绘制根轨迹的基本条件 116

4.2 常规根轨迹的绘制 117

4.3 广义根轨迹 131

4.3.1 参数根轨迹 131

4.3.2 多回路系统的根轨迹 134

4.3.3 正反馈系统的根轨迹 136

4.4 系统性能的根轨迹分析 139

4.4.1 稳定性分析 139

4.4.2 暂态性能分析 143

4.4.3 稳态性能分析 145

4.5 用MATLAB绘制系统的根轨迹 145

小结 147

习题 148

第5章 控制系统的频域分析 151

5.1 频域特性 151

5.1.1 频域特性的基本概念 151

5.1.2 频域特性与传递函数的关系 152

5.1.3 频域特性的数学表示方式 154

5.1.4 频域特性的图形表示方式 155

5.2 典型环节的对数频域特性 157

5.2.1 比例环节 157

5.2.2 积分环节 158

5.2.3 微分环节 159

5.2.4 惯性环节 161

5.2.5 二阶振荡环节 163

5.2.6 延迟环节 165

5.3 系统开环频域特性的绘制 166

5.3.1 采用叠加方法求串联环节的伯德图 166

5.3.2 系统开环对数幅频特性的简便画法 167

5.3.3 最小相位系统与非最小相位系统 170

5.3.4 由系统（或部件）的对数频域特性求相应的传递函数 171

5.4 奈奎斯特稳定判据和系统的相对稳定性 172

5.4.1 系统开环频域特性与闭环特征式的关系 172

5.4.2 幅角原理 173

5.4.3 奈奎斯特稳定判据 174

5.4.4 虚轴上有开环极点时的奈奎斯特判据 176

5.4.5 基于伯德图的奈奎斯特判据 176

5.4.6 系统的相对稳定性和稳定裕度 177

5.5 用频域法分析系统的稳态性能 179

5.5.1 0型系统 180

5.5.2 Ⅰ型系统 180

5.5.3 Ⅱ型曲线 180

5.6 系统的频域特性及频域性能指标 181

5.6.1 闭环系统的频域特性 181

5.6.2 开环频域特性与闭环系统动态性能之间的关系 183

5.6.3 系统的频域性能指标 185

5.6.4 二阶系统的频域性能指标 185

5.6.5 高阶系统 186

5.7 用MATLAB进行系统的频域分析 186

5.7.1 伯德图绘制 186

5.7.2 奈奎斯特图绘制 192

小结 193

习题 193

第6章 控制系统的校正 197

6.1 控制系统校正的概念 197

6.1.1 校正的概念 197

6.1.2 校正的方式 197

6.1.3 性能指标 198

6.2 串联超前校正 200

6.2.1 超前校正网络 200

6.2.2 基于根轨迹法的超前校正 202

6.2.3 基于频率响应法的超前校正 206

6.3 串联迟后校正 209

6.3.1 迟后校正网络 209

6.3.2 基于根轨迹法的迟后校正 210

6.3.3 基于频率响应法的迟后校正 213

6.4 串联迟后—超前补偿 215

6.4.1 迟后—超前校正网络 215

6.4.2 基于根轨迹法的迟后—超前校正 216

6.4.3 基于频率响应法的迟后—超前校正 218

6.5 反馈校正 222

6.5.1 使结构不稳定系统改造为稳定系统 223

6.5.2 利用反馈补偿改变系统参数 224

6.5.3 利用反馈补偿取代局部结构 226

6.5.4 降低对参数变化的敏感度 226

6.6 PID控制器及其参数整定 229

6.6.1 比例（P）控制规律 230

6.6.2 比例—微分（PD）控制规律 230

6.6.3 积分（I）控制规律 231

6.6.4 比例—积分（PI）控制规律 232

6.6.5 比例—积分—微分（PID）控制规律 234

6.7 复合校正 238

6.7.1 复合校正的概念 238

6.7.2 按输入补偿的复合校正 239

6.7.3 按扰动补偿的复合校正 240

6.8 MATLAB在线性系统校正中的应用 243

小结 245

习题 246

第7章 非线性系统的分析 249

7.1 非线性系统概述 249

7.1.1 非线性系统的数学描述 249

7.1.2 典型的非线性特性 250

7.1.3 非线性系统的特点与分析方法 252

7.2 相平面法 254

7.2.1 相平面的基本概念 255

7.2.2 相轨迹的几个重要性质 256

7.2.3 相轨迹的绘制 257

7.2.4 由相平面图求时间解 262

7.3 相平面图的分析 263

7.3.1 二阶线性系统的相平面分析 263

7.3.2 非线性控制系统的相平面分析 268

7.4 描述函数法 278

7.4.1 描述函数的基本概念 279

7.4.2 典型非线性特性的描述函数 280

7.5 非线性系统的描述函数分析 287

7.5.1 非线性系统的稳定性分析 287

7.5.2 周期运动的稳定性分析 288

7.6 基于Simulink环境的非线性系统仿真分析 291

小结 293

习题 293

第8章 采样控制系统 298

8.1 采样定理 299

8.1.1 采样过程 299

8.1.2 采样过程的频谱分析 300

8.1.3 采样定理的提出 301

8.1.4 采样周期的选取 302

8.2 信号的再现和零阶保持器 302

8.2.1 信号再现 302

8.2.2 零阶保持器 302

8.3 z变换和z反变换 304

8.3.1 序列与差分方程 304

8.3.2 z变换 305

8.3.3 典型信号的z变换 306

8.3.4 z变换的性质 307

8.3.5 z反变换 312

8.3.6 用z变换解差分方程 314

8.4 脉冲传递函数 316

8.4.1 脉冲传递函数的定义 316

8.4.2 串联环节的脉冲传递函数 317

8.4.3 闭环系统的脉冲传递函数 319

8.5 采样系统的稳定性 322

8.5.1 s平面和z平面的映射关系 323

8.5.2 w平面的劳斯判据 324

8.6 采样控制系统的性能分析 326

8.6.1 瞬态响应 326

8.6.2 稳态误差 327

8.7 采样控制系统校正与设计 329

8.7.1 典型信号输入作用下的最小拍系统 331

8.7.2 典型信号输入作用下的脉冲传递函数 332

8.7.3 最小拍控制系统的设计 333

8.8 MATLAB在离散系统中的应用 334

小结 335

习题 336

附录 “自动控制原理”课程中常用专业术语的中英文对照 339

参考文献 354