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1.1 系统、反馈与控制 1

第1章 绪论 1

1.2 反馈控制系统举例 4

1.3 反馈及前馈控制原理 7

1.4 自动控制发展简史 8

1.5 本课程学习内容 9

1.6 本章小结 10

1.7 思考题与作业 10

2.1.1 数学模型的基本概念 12

2.1.2 建模的基本方法 12

2.1 数学模型 12

第2章 动态系统的数学描述 12

2.1.3 反馈控制系统对模型的基本要求 13

2.2 时域描述 13

2.2.1 用常微分方程（ODE）表达的数学模型——平衡的观点 14

2.2.2 用常微分—代数方程表达的数学模型——约束的存在 15

2.2.3 用一阶常微分方程组表达的数学模型——状态空间模型 16

2.2.4 其他建模方法 19

2.3 S域描述 19

2.3.1 拉普拉斯变换及性质 19

2.3.2 传递函数 21

2.4 频域描述 24

2.4.1 认识频率响应 24

2.4.2 典型环节的频率特性 25

2.5 微分方程的解 29

2.5.1 初值问题 29

2.5.2 数值解法 29

2.5.3 解的存在与唯一性问题 31

2.5.4 二阶线性系统阶跃响应分析 32

2.6 模型转换 38

2.6.1 传递函数转换为状态空间模型 38

2.6.2 状态空间模型转换为传递函数 43

2.6.3 传递函数的实数极点模型转换为状态空间模型 45

2.7 本章小结 48

2.8 思考题与作业 48

第3章 控制系统的数学模型 53

3.1 典型环节的模型及响应 53

3.2 控制系统的方框图与化简 58

3.2.1 方框图的建立 58

3.2.2 方框图的化简规则 61

3.3 信号流图与梅逊（Mason）公式 68

3.5 思考题与作业 72

3.4 本章小结 72

第4章 经典的控制工程数值与计算工具 76

4.1 数值仿真 76

4.1.1 数值积分法 76

4.1.2 计算实例 79

4.2 回路与闭环传递函数 80

4.3 系统零点与极点的计算 83

4.3.1 零点与极点的定义 83

4.3.2 零点与极点的分布及系统闭环响应 83

4.4 频域Nyquist方法 86

4.4.1 频率特性的概念 86

4.4.2 频率特性曲线的绘制 90

4.4.3 频谱、带宽和滤波器 94

4.4.4 频率特性的绘制实例 95

4.5 频域Bode方法 96

4.5.1 典型动态特性的Bode图绘制 96

4.5.2 复杂动态特性的Bode图绘制 102

4.6 根轨迹方法 107

4.6.1 根轨迹的基本概念 107

4.6.2 常规根轨迹绘制的基本法则 110

4.6.3 广义根轨迹 114

4.8 思考题与作业 117

4.7 本章小结 117

第5章 线性定常连续时间控制系统的分析 123

5.1 稳定性分析 123

5.1.1 平衡与稳定性 123

5.1.2 基于微分方程特征根的解析方法 125

5.1.3 基于多项式系数构造的解析方法——Routh-Hurwitz稳定判据 127

5.1.4 基于开环零极点分布的图解方法——根轨迹法 132

5.1.5 基于频率特性的图解方法——Nyquist稳定性判据 133

5.1.6 基于频率特性的图解方法——Bode稳定性判据 135

5.1.7 稳定性分析的一般方法——李雅普诺夫稳定性判据 137

5.2 鲁棒稳定性 142

5.2.1 稳定裕度的概念 143

5.2.2 鲁棒稳定性定理 146

5.3 系统静态特性分析 148

5.4 系统动态特性分析 153

5.5 本章小结 155

5.6 思考题与作业 155

第6章 线性定常连续时间控制系统的设计 159

6.1 控制问题的一般定义 159

6.1.1 单变量控制系统的校正方式 159

6.1.2 性能指标 160

6.2 S域设计 162

6.2.1 等效二阶系统方法 162

6.2.2 零极点消去法 164

6.2.3 极点配置 166

6.3 频域描述——滞后／超前补偿 169

6.4 状态与输出反馈 171

6.4.1 可达性 171

6.4.2 状态反馈 173

6.4.3 可观测性 175

6.4.4 观测器 176

6.4.5 输出反馈 184

6.5 内模控制系统设计 186

6.5.1 系统组成 186

6.5.2 内模控制的基本性质 187

6.5.3 开环稳定系统的内模控制器设计 188

6.5.4 鲁棒稳定性在线调整方法 189

6.6 本章小结 190

6.7 思考题与作业 190

第7章 离散时间控制系统分析与设计 194

7.1 连续信号的离散时间表示 194

7.2.2 基本性质 197

7.2 Z变换及其性质 197

7.2.1 定义 197

7.2.3 Z变换与Z反变换的方法 199

7.3 动态系统的离散时间域表示 203

7.3.1 差分方程 203

7.3.2 脉冲传递函数与阶跃响应 205

7.4 Z变换与拉普拉斯变换的关系 209

7.5 δ变换及性质 210

7.5.1 δ变换的定义 210

7.5.2 δ变换的性质 211

7.6.1 线性采样系统的稳定性 212

7.6 线性定常离散控制系统的Z域分析 212

7.6.2 线性采样系统的瞬态响应 215

7.6.3 稳态误差 215

7.7 线性定常离散控制系统的Z域设计 216

7.8 本章小结 217

7.9 思考题与作业 218

第8章 非线性控制系统分析 222

8.1 非线性系统的特征 222

8.2 相平面分析法 224

8.2.1 相平面图概念 224

8.2.2 线性系统的相平面图分析 228

8.2.3 非线性系统的相平面图分析 230

8.3 描述函数法 234

8.3.1 描述函数分析基础 234

8.3.2 常见非线性环节及其描述函数表示 235

8.3.3 非线性系统的描述函数分析 238

8.4 李雅普诺夫函数法 241

8.4.1 平衡点与稳定性概念 242

8.4.2 李雅普诺夫稳定性直接判别法 244

8.4.3 基于李雅普诺夫方法的线性系统分析 247

8.4.4 基于李雅普诺夫方法的非线性系统分析 251

8.6 思考题与作业 255

8.5 本章小结 255

第9章 非线性控制系统设计 258

9.1 反馈线性化方法 258

9.1.1 基本概念 258

9.1.2 反馈线性化方法 260

9.1.3 反馈线性化方法设计 263

9.2 Back-stepping方法 268

9.2.1 基本原理 268

9.2.2 设计举例 270

9.3.1 基本原理 272

9.3 滑动模态控制方法简介 272

9.3.2 设计举例 275

9.4 自适应控制方法简介 277

9.4.1 基本原理 277

9.4.2 设计举例 286

9.5 本章小结 287

9.6 思考题与作业 287

第10章 应用最广泛的两类控制算法——PID和MPC 290

10.1 PID控制算法 290

10.1.1 PID控制组成 290

10.1.2 积分饱和 294

10.1.3 PID参数整定 296

10.2 MPC控制算法 298

10.2.1 引言 298

10.2.2 动态矩阵控制 299

10.2.3 设计举例与仿真演示 302

10.3 本章小结 308

10.4 思考题与作业 308

附录A 控制系统分析与设计的数学基础 309

附录B MATLAB编程与Simulink仿真简介 319

参考文献 328