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第1章 自动控制系统概述 1

1.1 自动控制的基本原理 2

1.1.1 自动控制问题的引出 2

1.1.2 控制方式 5

1.2 自动控制系统的基本组成 10

1.3 自动控制系统实例 11

1.3.1 函数记录仪 11

1.3.2 磁盘驱动读取系统 12

1.3.3 导弹发射架方位控制 13

1.3.4 机器人 13

1.4 自动控制系统的分类 14

1.4.1 按给定输入信号特征分类 14

1.4.2 按系统模型的数学特性分类 15

1.4.3 其他类型的分类 16

1.5 自动控制系统的基本要求 16

1.5.1 稳定性 16

1.5.2 快速性 17

1.5.3 准确性 17

1.6 控制工程设计概论 18

1.6.1 工程设计 18

1.6.2 控制系统设计 18

1.6.3 系统分析与设计工具MATLAB 19

1.7 自动控制理论的发展概况 20

1.7.1 早期的自动控制 21

1.7.2 经典控制理论 21

1.7.3 现代控制理论 22

1.8 小结 22

1.9 习题 23

第2章 控制系统的数学模型 27

2.1 控制系统的时域数学模型 27

2.1.1 线性元件的微分方程 28

2.1.2 控制系统微分方程的建立 33

2.1.3 线性系统的基本特性 35

2.1.4 非线性系统的小偏差线性化 35

2.2 线性系统的传递函数 37

2.2.1 传递函数的定义和性质 37

2.2.2 典型元部件的传递函数 42

2.3 结构图及其等效变换 48

2.3.1 结构图的组成与绘制 48

2.3.2 结构图的等效变换 51

2.4 信号流图及梅逊公式 58

2.4.1 信号流图的组成及性质 58

2.4.2 信号流图的绘制 59

2.4.3 梅逊增益公式 61

2.5 闭环系统传递函数 64

2.6 控制系统建模的MATLAB方法 65

2.7 数学模型的实验测定法 67

2.8 小结 68

2.9 习题 69

第3章 时域分析法 73

3.1 控制系统时间响应的性能指标 73

3.1.1 典型输入信号 73

3.1.2 时间响应过程 75

3.1.3 时域性能指标 75

3.2 一阶系统时域分析 77

3.2.1 数学模型 78

3.2.2 单位阶跃响应 78

3.2.3 单位脉冲响应 79

3.2.4 单位斜坡响应 80

3.3 二阶系统时域分析 82

3.3.1 数学模型 82

3.3.2 单位阶跃响应 83

3.3.3 动态性能指标计算 87

3.3.4 改善二阶系统性能的常用方法 95

3.4 高阶系统时域分析 101

3.4.1 高阶系统的阶跃响应 101

3.4.2 闭环主导极点和动态性能分析 105

3.5 稳定性分析 107

3.5.1 稳定的概念和定义 107

3.5.2 稳定的充要条件 108

3.5.3 稳定的代数判据 109

3.6 稳态误差分析 115

3.6.1 误差与稳态误差 116

3.6.2 给定信号作用下的稳态误差计算 117

3.6.3 扰动作用下的稳态误差计算 121

3.6.4 提高控制精度的措施 123

3.7 小结 126

3.8 习题 127

第4章 根轨迹分析法 133

4.1 根轨迹的基本概念 133

4.1.1 根轨迹图 133

4.1.2 闭环零极点与开环零极点的关系 135

4.1.3 根轨迹方程 137

4.2 根轨迹的绘制法则 138

4.3 其他形式的根轨迹 151

4.3.1 参数根轨迹 151

4.3.2 零度根轨迹 153

4.4 基于MATLAB的根轨迹图绘制 156

4.5 根轨迹分析 158

4.5.1 闭环零极点与时间响应 158

4.5.2 系统性能的定性分析 159

4.6 小结 165

4.7 习题 166

第5章 基本控制律与机器人关节角控制分析 170

5.1 基本控制律分析 171

5.1.1 比例（P）控制 171

5.1.2 比例-微分（PD）控制 171

5.1.3 比例-积分（PI）控制 172

5.1.4 比例-积分-微分（PID）控制 173

5.2 线性系统时域仿真的MATLAB方法 176

5.2.1 基于脚本文件的仿真 176

5.2.2 基于模型文件的仿真 178

5.3 PID控制器的参数整定 182

5.3.1 衰减曲线法 182

5.3.2 稳定边界法 183

5.3.3 其他方法 183

5.4 机器人关节角控制系统设计与分析 184

5.4.1 某ARMⅡ电动肩关节角控制系统 185

5.4.2 PID控制律设计 186

5.4.3 斜坡型输入指令响应 189

5.5 小结 190

5.6 习题 191

第6章 频域分析法 193

6.1 频率特性 193

6.1.1 频率特性的基本概念 193

6.1.2 频率特性的图形表示 196

6.2 典型环节的频率特性 199

6.2.1 比例环节 199

6.2.2 积分环节和微分环节 199

6.2.3 惯性环节和一阶微分环节 201

6.2.4 振荡环节与二阶微分环节 203

6.2.5 延迟环节 206

6.3 开环系统频率特性图绘制 207

6.3.1 开环伯德图的绘制 207

6.3.2 开环极坐标图的近似绘制 211

6.3.3 最小相位系统 214

6.4 频域稳定性判据 217

6.4.1 幅角原理 217

6.4.2 奈奎斯特稳定性判据 219

6.5 稳定裕度 225

6.5.1 相位裕度 225

6.5.2 幅值裕度 226

6.6 闭环频率特性 228

6.7 基于MATLAB的频率特性图绘制 229

6.8 频率特性分析 232

6.8.1 三频段的概念 232

6.8.2 开环频域指标与时域指标的关系 233

6.8.3 闭环频域指标与时域指标的关系 235

6.9 小结 237

6.10 习题 238

第7章 控制系统的综合与校正 242

7.1 系统校正的基本概念 242

7.1.1 性能指标 243

7.1.2 校正方式 243

7.1.3 校正设计方法 245

7.2 常用串联校正装置及其特性 246

7.2.1 超前校正网络 246

7.2.2 滞后校正网络 249

7.2.3 滞后-超前校正网络 252

7.3 串联校正的频域法设计 254

7.3.1 串联超前校正设计 254

7.3.2 串联滞后校正设计 260

7.3.3 串联滞后-超前设计 265

7.3.4 期望开环对数幅频特性设计法 268

7.4 反馈校正与复合校正 269

7.4.1 反馈校正的原理与特点 269

7.4.2 复合校正 272

7.5 小结 275

7.6 习题 275

第8章 非线性系统 279

8.1 控制系统的非线性特性 279

8.1.1 典型的非线性特性 279

8.1.2 非线性系统的若干特征 281

8.1.3 非线性控制系统的分析与设计方法 283

8.2 描述函数法 283

8.2.1 描述函数定义 283

8.2.2 典型非线性特性的描述函数 285

8.2.3 非线性系统描述函数法分析 288

8.3 相平面法 291

8.3.1 相平面法的基本概念 291

8.3.2 相平面图的绘制 292

8.3.3 相轨迹的基本特性 294

8.3.4 非线性系统的相平面法分析 296

8.4 非线性系统分析的MATLAB方法 299

8.5 小结 301

8.6 习题 302

第9章 离散控制系统 304

9.1 离散控制系统基本概念 304

9.1.1 采样控制系统 304

9.1.2 数字控制系统 305

9.1.3 离散控制系统的特点 306

9.2 信号采样和复现 306

9.2.1 信号采样 306

9.2.2 采样信号频谱分析 307

9.2.3 香农采样定理 308

9.2.4 信号复现 308

9.3 z变换及反变换 310

9.3.1 z变换定义 310

9.3.2 z变换的求法 311

9.3.3 z变换的性质 312

9.3.4 z反变换 313

9.4 离散系统的数学模型 315

9.4.1 差分方程 315

9.4.2 脉冲传递函数 316

9.5 离散控制系统性能分析 323

9.5.1 离散控制系统的稳定性 323

9.5.2 离散控制系统的稳态误差 327

9.5.3 离散系统动态性能 330

9.6 线性离散系统分析的MATLAB方法 332

9.7 小结 335

9.8 习题 335

附录A 拉氏变换概述 337

A.1 拉普拉斯变换的定义 337

A.2 几种典型函数的拉氏变换 337

A.2.1 单位阶跃函数l（t）的拉氏变换 337

A.2.2 指数函数f（t）＝e-at的拉氏变换 338

A.2.3 正弦函数与余弦函数的拉氏变换 338

A.2.4 单位脉冲函数δ（t）的拉氏变换 339

A.2.5 单位斜坡函数的拉氏变换 339

A.2.6 单位加速度函数的拉氏变换 340

A.3 拉氏变换的主要定理 340

A.3.1 叠加定理 341

A.3.2 微分定理 341

A.3.3 积分定理 341

A.3.4 复数位移定理 342

A.3.5 终值定理 342

A.4 拉普拉斯反变换 344

A.5 应用拉氏变换解线性微分方程 347

附录B 精选习题详解 349

B.1 第1章 习题 349

B.2 第2章 习题 350

B.3 第3章 习题 352

B.4 第4章 习题 355

B.5 第6章 习题 357

B.6 第7章 习题 361

B.7 第8章 习题 362

B.8 第9章 习题 365

参考文献 368