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第1章自动控制系统概述 1

1.1引言 1

1.2自动控制系统的基本概念 1

1.3控制系统的基本结构形式 3

1.3.1开环控制系统 3

1.3.2闭环控制系统 4

1.3.3复合控制系统 7

1.4闭环控制系统的组成和基本环节 7

1.5自动控制系统分类 9

1.5.1按控制系统元件特性分类 9

1.5.2按控制系统信号形式分类 11

1.5.3按输入量的变化形式分类 12

1.6对自动控制系统的基本要求 13

1.6.1稳定性 13

1.6.2准确性 14

1.6.3快速性 14

小结 17

习题 17

第2章自动控制系统的数学模型 19

2.1动态微分方程的建立 19

2.1.1系统微分方程的描述 19

2.1.2系统微分方程的建立 20

2.2非线性数学模型的线性化 24

2.3传递函数 26

2.3.1传递函数的定义 26

2.3.2典型环节的传递函数及暂态特性 29

2.4系统动态结构图 37

2.5系统传递函数和结构图的等效变换 41

2.5.1典型连接的等效传递函数 41

2.5.2相加点及分支点的变位运算 43

2.5.3系统开环传递函数 46

2.5.4系统闭环传递函数 49

2.5.5系统对给定作用和扰动作用的传递函数 51

2.6信号流图 52

2.6.1信号流图中的术语 53

2.6.2信号流图的绘制 53

2.6.3信号流图的性质 54

2.6.4信号流图的基本简化法则 54

2.6.5梅逊公式 55

2.7用MATLAB求解线性微分方程和化简系统方框图 58

2.7.1MATLAB中数学模型的表示 59

2.7.2用MATLAB求解线性微分方程 61

2.7.3MATLAB在系统方框图化简中的应用 63

小结 65

习题 66

第3章自动控制系统的时域分析法 71

3.1系统的典型输入信号 71

3.1.1阶跃信号（位置信号） 71

3.1.2斜坡信号（速度信号） 72

3.1.3抛物线信号（加速度信号） 72

3.1.4脉冲信号 73

3.1.5正弦信号 73

3.2一阶系统的动态响应 74

3.2.1一阶系统的数学模型 74

3.2.2一阶系统的单位阶跃响应 74

3.3二阶系统的阶跃响应 76

3.3.1二阶系统的数学模型 76

3.3.2二阶系统的阶跃响应 77

3.3.3二阶系统暂态特性指标 80

3.3.4二阶工程最佳参数 84

3.3.5二阶系统性能的改善 86

3.4高阶系统的时域分析 88

3.4.1高阶系统单位阶跃响应特性 88

3.4.2高阶系统的几个重要概念 89

3.5控制系统的稳定性及代数稳定判据 93

3.5.1稳定性的基本概念 93

3.5.2线性定常系统稳定的充分必要条件 94

3.5.3劳斯（Routh ）稳定性判据 94

3.5.4劳斯判据的应用 98

3.6控制系统的稳态特性—稳态误差分析 100

3.6.1稳态误差和控制系统类型 100

3.6.2稳态误差系数和稳态误差的计算 101

3.6.3动态误差系数 104

3.6.4扰动稳态误差 106

3.6.5减小稳态误差的方法 108

3.7线性系统时域分析的MATLAB仿真方法 111

小结 115

习题 116

第4章根轨迹法 120

4.1根轨迹法的基本概念 120

4.1.1根轨迹的定义 120

4.1.2根轨迹的幅值和辐角条件 121

4.2根轨迹的绘制 122

4.2.1绘制根轨迹的基本法则 122

4.2.2常规180°根轨迹绘制举例 131

4.3非典型形式系统根轨迹的绘制 135

4.3.1零度根轨迹 135

4.3.2广义根轨迹 138

4.4基于根轨迹法的系统性能分析 139

4.4.1开环零、极点对根轨迹的影响 140

4.4.2在根轨迹上确定闭环特征根 141

4.4.3用根轨迹确定系统的性能 143

4.4.4用根轨迹确定系统的参数 145

4.5用MATLAB绘制根轨迹 148

4.5.1绘制根轨迹 148

4.5.2确定根轨迹上闭环极点相对应的根轨迹放大系数 150

4.5.3零度根轨迹的绘制 151

小结 153

习题 153

第5章自动控制系统的频域分析法 157

5.1频率特性 157

5.1.1频率特性的基本概念 157

5.1.2频率特性的性质 159

5.2幅相频率特性 160

5.2.1幅相频率特性的表示 160

5.2.2典型环节的幅相频率特性 161

5.2.3开环系统的幅相频率特性 165

5.3对数频率特性 170

5.3.1对数频率特性的表示 170

5.3.2基本环节的伯德图 171

5.3.3开环控制系统的伯德图 177

5.3.4最小相位系统 180

5.3.5传递函数的频域实验确定 181

5.4频域中的稳定性判据 184

5.4.1辐角定理 184

5.4.2奈氏稳定性判据 185

5.4.3对数频率稳定判据 188

5.4.4奈氏判据应用举例 189

5.4.5系统的稳定裕量 193

5.5开环频率特性分析 195

5.5.1基于伯德图的系统稳态性能分析 195

5.5.2频率特性的两个基本关系 196

5.5.3低频段和高频段特性斜率的影响 198

5.5.4？（或开环放大系数K）对相位裕量的影响 199

5.5.5开环频率特性与时域性能指标的关系 203

5.6闭环系统频率特性 205

5.6.1闭环频率特性与开环频率特性的关系 205

5.6.2闭环系统频率特性及其与暂态特性指标的关系 206

5.6.3闭环系统等M图、等？图及尼氏图 208

5.6.4非单位反馈系统的闭环频率特性 212

5.7线性系统频域分析的MATLAB方法 212

小结 218

习题 219

第6章控制系统的校正及综合 222

6.1控制系统校正的一般概念 222

6.1.1校正的概念 222

6.1.2校正的基本方式 222

6.2串联校正 224

6.2.1串联超前校正 224

6.2.2串联滞后校正 229

6.2.3串联滞后-超前校正 234

6.2.4按期望特性的串联校正 237

6.3 PID控制器 242

6.3.1比例（P）控制器 242

6.3.2比例微分（PD）控制器 243

6.3.3积分（I）控制器 244

6.3.4比例积分（PI）控制器 245

6.3.5比例积分微分（PID）控制器 246

6.4反馈校正 246

6.4.1反馈的作用 246

6.4.2反馈校正装置的设计 248

6.5复合校正 252

6.5.1按扰动补偿的复合校正 252

6.5.2按输入补偿的复合校正 253

小结 254

习题 254

第7章线性离散系统的理论基础 257

7.1线性离散控制系统概述 257

7.2采样过程和采样定理 262

7.2.1采样过程及其数学描述 262

7.2.2采样定理及采样周期的选择 267

7.2.3信号的保持及保持器 268

7.3Z变换法 271

7.3.1Z变换的定义 271

7.3.2Z变换的方法 272

7.3.3Z变换的基本定理 275

7.3.4Z反变换 280

7.4采样控制系统的数学模型 284

7.4.1线性常系数差分方程及其解法 284

7.4.2脉冲传递函数 287

7.5离散控制系统的性能分析 297

7.5.1离散控制系统的稳定性分析 297

7.5.2离散控制系统的暂态特性分析 302

7.5.3离散控制系统的稳态误差分析 306

7.6离散控制系统的设计 311

7.6.1最少拍系统设计 312

7.6.2数字PID算法 316

7.7MATLAB在离散控制系统中的应用 318

7.7.1应用于离散系统的MATLAB基本函数介绍 318

7.7.2连续系统的离散化 319

7.7.3求离散系统的时域响应 319

7.7.4离散系统的稳定性分析 320

小结 321

习题 322

第8章非线性系统分析 324

8.1非线性系统概述 324

8.1.1典型非线性特性 324

8.1.2非线性系统的特点 326

8.2描述函数法 327

8.2.1描述函数的基本概念 327

8.2.2典型非线性特性的描述函数 329

8.2.3描述函数法分析非线性系统 336

8.3相平面法 343

8.3.1相轨迹的特征 344

8.3.2相轨迹的绘制 351

8.3.3非线性系统的相平面分析 354

8.3.4利用MATLAB分析非线性控制系统 361

小结 368

习题 370

附录A常用时间函数的拉氏变换及Z变换对照表 374

参考文献 376