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第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 随动系统与过程控制系统 3

1.2.1 位置随动系统 3

1.2.2 过程控制系统 4

1.3 开环控制与闭环控制 5

1.3.1 开环控制 6

1.3.2 闭环控制 7

1.4 自动控制系统的基本组成与分类 9

1.4.1 自动控制系统的基本组成 9

1.4.2 自动控制系统的分类 10

1.5 对自动控制系统的基本要求 11

1.5.1 稳定性 11

1.5.2 稳态精度 11

1.5.3 响应速度 12

1.6 MATLAB软件简介 12

1.6.1 MATLAB的安装与启动 12

1.6.2 MATLAB指令窗 13

1.6.3 MATLAB中的数值表示、变量命名、运算符号和表达式 14

1.6.4 应用MATLAB进行数值运算 15

1.6.5 应用MATLAB绘制二维图线 15

1.6.6 应用MATLAB处理传递函数的变换 16

习题 18

第2章 拉普拉斯变换及其应用 20

2.1 拉普拉斯变换的定义 20

2.2 拉普拉斯变换的基本性质 21

2.3 拉普拉斯反变换 24

2.4 拉普拉斯变换应用实例 26

习题 27

第3章 控制系统的数学模型 29

3.1 控制系统的微分方程 29

3.1.1 机械系统 30

3.1.2 电路系统 31

3.1.3 机电系统 31

3.2 传递函数 33

3.2.1 传递函数的定义 33

3.2.2 传递函数的性质 34

3.2.3 传递函数的求法 35

3.2.4 典型环节的传递函数 36

3.2.5 负载效应 40

3.3 控制系统的结构图 42

3.3.1 结构图的基本概念 42

3.3.2 结构图的等效变换和简化 43

3.3.3 闭环控制系统的传递函数 47

3.4 梅森公式及其应用 48

习题 50

第4章 线性控制系统的时域分析 26

4.1 引言 54

4.1.1 典型输入信号 54

4.1.2 动态性能与稳态性能 54

4.2 典型系统的时域分析 56

4.2.1 一阶系统时域分析 57

4.2.2 二阶系统时域分析 57

4.2.3 高阶系统时域分析 59

4.3 线性系统稳定性分析 66

4.3.1 稳定的基本概念 67

4.3.2 劳斯（Routh）稳定判据 67

4.3.3 稳定判据的应用 67

4.4 线性系统的稳态误差分析 70

4.4.1 误差与稳态误差的基本概念 71

4.4.2 系统的类型 71

4.4.3 典型输入信号作用下的稳态误差 72

4.4.4 扰动作用下的稳态误差 72

4.4.5 减小或消除稳态误差的措施 74

4.5 MATLAB在时域分析中的应用 75

4.5.1 MATLAB中的数学模型表示 76

4.5.2 时域响应分析 76

习题 76

第5章 线性系统的根轨迹分析法 79

5.1 根轨迹的概念 82

5.1.1 系统的根轨迹 82

5.1.2 根轨迹的幅值条件和相角条件 82

5.2 根轨迹分析法 83

5.2.1 绘制根轨迹的基本规则 84

5.2.2 参数根轨迹和多回路系统根轨迹 84

5.2.3 正反馈回路和非最小相位系统根轨迹 89

5.3 基于MATLAB的根轨迹分析法 89

5.3.1 利用MATLAB绘制根轨迹 90

5.3.2 基于根轨迹的系统性能分析 90

习题 94

第6章 线性系统的频域分析法 95

6.1 频率特性的概念及其物理意义 98

6.1.1 频率响应 98

6.1.2 频率特性 98

6.2 频率特性的图示 99

6.2.1 奈奎斯特图 100

6.2.2 伯德图 101

6.3 典型环节的频率特性 101

6.3.1 比例环节 102

6.3.2 积分环节 102

6.3.3 微分环节 103

6.3.4 惯性环节 104

6.3.5 振荡环节 104

6.3.6 一阶微分环节和二阶微分环节 106

6.3.7 时滞环节 109

6.4 开环系统的频率特性绘制 110

6.4.1 开环系统伯德图的绘制 111

6.4.2 最小相位系统与非最小相位系统 111

6.5 频域稳定性分析 113

6.5.1 奈奎斯特稳定判据 114

6.5.2 控制系统的稳定裕度 114

6.6 开环频域指标与时域指标之间的关系 122

6.6.1 控制系统的主要性能指标 128

6.6.2 开环频域指标和时域指标的关系 128

6.7 MATLAB在系统频域分析中的应用 129

6.7.1 传递函数模型tf对象 132

6.7.2 伯德图的绘制 132

6.7.3 奈氏图的绘制 132

习题 134

第7章 线性控制系统的校正方法 136

7.1 引言 143

7.2 串联校正 143

7.2.1 超前校正 145

7.2.2 滞后校正 145

7.2.3 滞后—超前校正 150

7.3 PID控制器设计 155

7.3.1 PID控制器工作原理 158

7.3.2 Zieloger-Niclosls整定公式 158

7.4 利用MATLAB进行系统校正 162

习题 166

第8章 非线性控制系统的一般分析方法 171

8.1 非线性系统概述 171

8.1.1 典型非线性特性 171

8.1.2 非线性系统的特点 173

8.2 非线性系统常用分析方法 174

8.2.1 非线性系统的描述函数法 174

8.2.2 非线性系统的相平面法 182

8.3 MATLAB在非线性系统分析中的应用 189

习题 193

第9章 自动控制理论的应用实例 197

9.1 应用一 某电机调速系统分析与设计 197

9.1.1 应用背景 197

9.1.2 基本组成与工作原理 197

9.1.3 系统的数学模型 198

9.1.4 控制器的设计及分析 199

9.2 应用二 模拟位置随动系统的分析与设计 201

9.2.1 系统组成及工作原理 201

9.2.2 系统数学模型 201

9.2.3 控制器的设计及分析 202

第10章 采样控制系统分析方法与应用 204

10.1 采样控制系统基本概念 204

10.2 信号的采样与信号的复现 205

10.2.1 信号的采样过程及采样定理 205

10.2.2 信号的复现与保持器 207

10.3 z变换与脉冲传递函数 209

10.3.1 z变换 209

10.3.2 z变换的基本定理 212

10.3.3 z逆变换 213

10.3.4 脉冲传递函数 215

10.4 采样控制系统的稳定性、准确性和快速性分析 219

10.4.1 采样控制系统的稳定性分析 219

10.4.2 采样控制系统的稳态误差 222

10.4.3 采样控制系统的时域分析 225

10.5 MATLAB在采样控制系统分析中的应用 227

10.5.1 z变换与z反变换 227

10.5.2 脉冲传递函数 228

10.5.3 连续系统离散化 230

10.5.4 时域分析 230

思考与练习 231

第11章 线性系统状态空间理论基础 235

11.1 线性系统状态空间模型 235

11.1.1 状态空间表达式的标准形式 235

11.1.2 n×n维系统矩阵A的特征值 237

11.1.3 n×n维系统矩阵的对角线化 238

11.1.4 特征值的不变性 240

11.1.5 状态变量组的非唯一性 241

11.2 能控性与能观性 241

11.2.1 线性连续系统的能控性 241

11.2.2 线性连续系统的能观测性 246

习题 251

附录A 252

附录B 习题参考答案 254

参考文献 266