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第一章 自动控制概论 1

1.1 自动控制系统 1

1.2　开环控制和闭环控制 3

1.2.1　开环控制 3

1.2.2　闭环控制 3

1.3　控制系统的分类 5

1.3.1　按描述系统运动方程分类 5

1.3.2　按系统中信号的性质分类 6

1.3.3　按参考输入分类 6

1.4　控制系统的组成及对控制系统性能的要求 7

1.4.1　控制系统的组成 7

1.5　控制理论发展简史 8

1.4.2　对控制系统的性能要求 8

1.6　本课程的特点与学习方法 10

小结 10

习题 11

第二章　系统的数学模型 13

2.1　控制系统微分方程的建立 13

2.1.1　建立数学模型的基本步骤 13

2.1.2　非线性微分方程的线性化 17

2.2　拉普拉斯变换 19

2.2.1　拉氏变换的定义 19

2.2.2　典型函数的拉氏变换 20

2.2.3　拉氏变换的基本定理 23

2.2.4　应用拉氏变换解线性微分方程 24

2.3.1　传递函数的定义 27

2.3　传递函数 27

2.3.2　典型环节的传递函数 29

2.3.3 电气网络的运算阻抗与传递函数 32

2.4　控制系统的方框图和传递函数 33

2.4.1　框图的概念 33

2.4.2　框图的变换规则 35

2.4.3　反馈系统的传递函数 38

2.4.4　框图的化简 41

2.5　信号流图与梅逊公式 42

2.5.1　信号流图 42

2.5.2　梅逊公式 43

2.6　相似原理 45

2.7　控制系统的计算机辅助分析 47

小结 48

习题 48

第三章　自动控制系统的时域分析 52

3.1　典型信号的控制过程 52

3.1.1　典型输入信号 52

3.1.2　典型时间响应 54

3.2　一阶系统的时域分析 55

3.2.1　一阶系统的数学模型 55

3.2.2　一阶系统的单位阶跃响应 55

3.2.3　一阶系统的单位脉冲响应 57

3.2.4　一阶系统的单位斜坡响应 58

3.3.1　二阶系统的数学模型 59

3.3　二阶系统的时域分析 59

3.2.5　三种响应之间的关系 59

3.3.2　单位阶跃函数作用下二阶系统的响应（简称阶跃响应） 61

3.3.3　二阶系统的性能指标 64

3.3.4　二阶系统计算举例 68

3.3.5　二阶系统的脉冲响应函数（过渡函数） 71

3.3.6　单位斜坡函数作用下二阶系统的响应 72

3.3.7　初始条件不为零时二阶系统的响应 74

3.4　高阶系统的时域分析 75

3.4.1　三阶系统的单位阶跃响应 75

3.4.2　高阶系统的单位阶跃响应 76

3.5　控制系统的稳定性 78

3.5.1　稳定的概念 78

3.4.3　闭环主导极点 78

3.5.2　线性系统稳定的充要条件 79

3.5.3　劳思稳定判据 80

3.5.4　古尔维茨稳定判据 83

3.6　控制系统的稳态误差 84

3.6.1　稳态误差的基本概念 84

3.6.2　利用终值定理求稳态误差 85

3.6.3 系统的型别与参考输入的稳态误差 86

3.6.4　振动信号的稳态误差 89

3.6.5　动态误差系数法 90

3.7　改善稳态误差精度的方法 91

3.7.1　按输入补偿的复合控制 92

3.7.2　按扰动补偿的复合控制 93

习题 94

小结 94

4.1　控制系统的根轨迹 98

第四章　根轨迹法 98

4.2　绘制根轨迹的基本规则 100

4.3　根轨迹对系统稳定性分析 110

4.4　特殊根轨迹 110

4.4.1　参数根轨迹（广义根轨迹） 110

4.4.2　零度根轨迹 112

4.5　系统闭环零极点分布与阶跃响应的关系 114

4.5.1 用闭环零极点表示的阶跃响应解析式 114

4.5.2 闭环零极点分布与阶跃响应的定性关系 115

4.5.3　主导极点与偶极子 116

4.5.4　利用主导极点估算系统的性能指标 116

4.6.1 开环零点的变化对根轨迹的影响 118

4.6　开环零极点的变化对根轨迹的影响 118

4.6.2　开环极点的变化对根轨迹的影响 119

小结 120

习题 121

第五章　频率特性法 123

5.1　频率特性的基本概念 123

5.2　频率特性的数学表示及几种图示方法 125

5.2.1　实频、虚频特性 126

5.2.2　幅频特性、相频特性 126

5.2.3　幅相频率特性 126

5.2.4　对数频率特性 127

5.3　幅相频率特性图（极坐标图）的绘制 128

5.3.1　典型环节 128

5.2.5　Nichols图 128

5.3.2　最小相位环节幅相频率特性图的绘制 129

5.3.3　开环幅相频率特性图的绘制 132

5.4　对数频率特性图绘制 135

5.4.1　典型环节的对数频率特性图 135

5.4.2　开环对数频率特性的绘制 140

5.4.3 系统的类型与对数幅频特性曲线低频渐近线斜率的对应关系 142

5.5　最小相位系统 144

5.6　传递函数的频域实验确定 145

5.7　乃奎斯特稳定判据 147

5.7.1　幅角定理 147

5.7.2　乃奎斯特稳定性判据 150

5.7.3 开环系统含有积分环节时判据的应用 152

5.7.4　乃奎斯特稳定判据在伯德图中的表示形式 155

5.8　控制系统的相对稳定性 157

5.8.1　相角裕度 157

5.8.2　幅值裕度 157

5.9　频率特性与控制系统性能的关系 158

5.9.1　闭环频率特性与控制系统性能的关系 159

5.9.2 二阶系统性能指标间的关系 160

5.9.3　高阶系统性能指标之间的关系 161

5.9.4　开环对数幅频特性与性能指标间的关系 161

小结 162

习题 162

6.1.2　校正方式 167

6.1.1　综合、校正的一般概念 167

6.1　概述 167

第六章　控制系统的综合与校正 167

6.1.3　校正方法 168

6.2　基本控制规律分析 168

6.2.1　比例（P）控制规律 168

6.2.2　积分（I）控制规律 169

6.2.3　比例—微分（PD）控制规律 169

6.2.4　比例—积分（PI）控制规律 170

6.2.5 比例—积分—微分（PID）控制规律 171

6.3　串联校正 172

6.3.1　串联超前校正（PD） 172

6.3.2 串联滞后校正（PI） 176

6.3.3 串联滞后—超前校正（PID） 179

6.3.4 串联校正方式比较 182

6.4　串联校正综合法 183

6.4.1　期望频率特性法 183

6.4.2　按最佳典型系统校正方法 186

6.5　反馈校正 189

6.5.1　反馈校正功能 189

6.5.2 用频率法分析反馈校正系统 192

小结 194

习题 194

第七章　非线性控制系统分析 197

7.1　非线性系统概述 197

7.1.1　典型的非线性特性 197

7.1.2 非线性系统的特点 199

7.2.1　描述函数法的基本概念 200

7.1.3　非线性系统的研究方法 200

7.2　描述函数法 200

7.2.2　典型非线性特性的描述函数 201

7.2.3　组合非线性特性的描述函数 205

7.2.4　非线性系统的描述函数分析 207

7.3　相平面分析法 210

7.3.1　相平面和相轨迹 211

7.3.2　相轨迹绘制 211

7.3.3　相平面的特性 214

7.3.4　相平面分析 217

小结 219

习题 219

8.1　概述 221

第八章　采样系统 221

8.2　采样过程和采样定理 222

8.2.1　采样过程 222

8.2.2　采样定理 224

8.2.3　采样周期的选取 225

8.3　信号的复现 225

8.4　差分方程 227

8.4.1　差分方程的定义 227

8.4.2　差分方程的解法 228

8.5　Z变换 228

8.5.1　Z变换的定义 228

8.5.2　Z变换的方法 229

8.5.3　Z变换的性质 231

8.5.4　Z反变换 234

8.5.5 用Z变换法求解差分方程 235

8.6　脉冲传递函数 236

8.6.1　脉冲传递函数的定义 236

8.6.2　开环系统脉冲传递函数 237

8.6.3　闭环系统脉冲传递函数 239

8.7　采样系统的性能分析 242

8.7.1　稳定性分析 242

8.7.2　稳态误差分析 249

8.7.3　动态性能分析 252

8.7.4 离散系统极点分布与动态响应的关系 253

8.7.5　采样系统的频域分析 255

习题 257

小结 257

第九章　MATLAB语言与自动控制系统设计 260

9.1　MATLAB语言简介 260

9.1.1　MATLAB的数值运算基础 260

9.1.2　矩阵及矩阵函数 261

9.1.3 MATLAB的绘图功能 263

9.2　自动控制系统设计 265

9.2.1　时域分析命令 265

9.2.2　频率域命令 267

9.2.3　根轨迹法命令 271

9.2.4　传递函数的常用命令 272

9.2.5　控制系统分析举例 274

小结 276

参考文献 277