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1.1 自动控制系统的一般概念 1

第1章 引论 1

1.2 开环控制和闭环控制 4

1.2.1 开环控制 4

1.2.2 闭环控制 4

1.2.3 闭环控制系统的基本组成 6

1.3 自动控制系统的类型 6

1.3.1 按信号流向划分 6

1.3.2 按输入信号变化规律划分 7

1.3.3 线性系统和非线性系统 7

1.3.4 定常系统和时变系统 8

1.3.5 连续系统和离散系统 8

1.4 控制系统性能的基本要求和本课程的主要任务 9

1.4.1 控制系统性能的基本要求 9

1.3.6 单输入单输出系统与多输入多输出系统 9

1.4.2 本课程的主要任务 10

1.5 自动控制系统实例 11

1.5.1 烘烤炉温度控制系统 11

1.5.2 传动控制系统 12

本章小结 13

习题 13

第2章 线性系统的数学模型 15

2.1 线性系统的时域数学模型——微分方程 15

2.1.1 列写系统微分方程的一般方法 15

2.1.2 线性系统的特点 16

2.1.3 线性定常微分方程求解 16

2.1.4 运动的模态 17

2.2 非线性数学模型的线性化 18

2.3.1 传递函数的定义 19

2.3 线性系统的复域数学模型——传递函数 19

2.3.2 传递函数的性质 20

2.3.3 传递函数的零点和极点 20

2.3.4 典型环节的传递函数 21

2.4 结构图 23

2.4.1 结构图的组成和绘制 23

2.4.2 结构图的等效变换和简化 24

2.5 信号流图和梅逊增益公式的应用 27

2.5.1 信号流图的术语和性质 28

2.5.2 信号流图的绘制 28

2.5.3 信号流图的简化 30

2.5.4 信号流图的梅逊增益公式 31

2.6.3 控制系统的零极点模型 33

2.6.2 控制系统的结构图模型 33

2.6.1 传递函数 33

2.6 MATLAB中数学模型的表示 33

本章小结 34

习题 34

第3章 控制系统的时域分析 38

3.1 控制系统的时域响应及其性能指标 38

3.1.1 时域响应 38

3.1.2 稳态性能指标 39

3.1.3 动态性能指标 39

3.2 典型输入信号 40

3.2.1 阶跃函数 41

3.2.2 斜坡函数 41

3.2.3 抛物线函数 41

3.2.5 正弦函数 42

3.2.4 脉冲函数 42

3.3 一阶系统的时域响应 43

3.3.1 一阶系统数学模型 43

3.3.2 一阶系统的单位阶跃响应 44

3.3.3 一阶系统的单位脉冲响应 46

3.3.4 一阶系统的单位斜坡响应 47

3.4 二阶系统的时域响应 48

3.4.1 二阶系统的数学模型 48

3.4.2 二阶系统的单位阶跃响应 49

3.4.3 二阶系统的阶跃响应的性能指标 53

3.4.4 二阶系统的动态校正 56

3.5 高阶系统的时域响应 60

3.5.1 高阶系统的时域响应 60

3.5.2 闭环主导极点 61

3.5.3 零极点对阶跃响应的影响 63

3.6 线性定常系统的稳定性 65

3.6.1 稳定性的概念 65

3.6.2 线性定常系统稳定的充分必要条件 66

3.6.3 劳斯稳定判据 67

3.6.4 赫尔维茨判据 72

3.6.5 控制系统参数对稳定性的影响 73

3.6.6 相对稳定性和稳定裕量 75

3.7 控制系统的稳态误差 76

3.7.1 误差及稳态误差 76

3.7.2 系统类型 77

3.7.3 应用静态误差系数计算给定信号作用下的稳态误差 78

3.7.4 扰动信号作用下的稳态误差与系统结构的关系 82

3.8.1 用MATLAB求系统的脉冲响应 85

3.8 用MATLAB和Simulink进行瞬态响应分析 85

3.7.5 提高系统稳态精度的方法 85

3.8.2 用MATLAB求系统的阶跃响应 86

3.8.3 用MATLAB求系统的斜坡响应 88

3.8.4 任意函数作用下系统的响应 89

3.8.5 Simulink中的时域响应举例 92

本章小结 95

习题 96

第4章 根轨迹法 100

4.1 根轨迹的基本概念 100

4.1.1 根轨迹概念 100

4.1.2 根轨迹方程 101

4.2 根轨迹绘制的基本法则 102

4.2.1 绘制根轨迹的基本法则 103

4.2.2 根轨迹绘制举例 109

4.3 广义根轨迹 114

4.3.1 参数根轨迹 114

4.3.2 零度根轨迹 115

4.4 控制系统的根轨迹法分析 118

4.4.1 控制系统的稳定性分析 118

4.4.2 控制系统的暂态性能分析 119

4.4.3 系统的稳态性能分析 121

4.4.4 利用MATLAB绘制系统的根轨迹 122

本章小结 122

习题 123

第5章 控制系统的频域分析法 126

5.1 频率特性 127

5.1.1 频率特性的基本概念 127

5.1.2 频率特性的求取 131

5.1.3 频率特性的几何表示法 132

5.1.4 开环系统的典型环节分解 133

5.2 控制系统的对数频率特性图 134

5.2.1 典型环节的Bode图 134

5.2.2 开环系统的对数频率特性图（Bode图） 141

5.2.3 最小相位和非最小相位系统 144

5.3 控制系统的极坐标图 146

5.3.1 典型环节的极坐标图 146

5.3.2 开环系统的极坐标图 151

5.4 奈奎斯特稳定判据 154

5.4.1 幅角原理 155

5.4.2 奈奎斯特稳定判据 157

5.5 控制系统的相对稳定性 162

5.5.2 相角裕度 163

5.5.1 增益裕量 163

5.5.3 相对稳定性与对数幅频特性中频段关系 164

5.6 闭环系统的频率特性 166

5.6.1 闭环频率特性 166

5.6.2 等M圆 167

5.6.3 等N圆 168

5.6.4 等M圆和等N圆的应用 169

5.6.5 尼柯尔斯图 169

5.7 用频率特性分析系统品质 171

5.7.1 闭环频域指标与时域指标的关系 171

5.7.2 开环频率特性与时域响应的关系 176

5.7.3 开环频域指标和闭环频域指标的关系 178

5.8 传递函数的实验确定 179

5.9 MATLAB频域特性分析 181

5.9.1 用MATLAB绘制对数频率特性图 182

5.9.2 用MATLAB绘制极坐标图 183

本章小结 184

习题 185

第6章 控制系统的校正 191

6.1 概述 191

6.1.1 系统的性能指标 191

6.1.2 系统的校正方法 194

6.2 线性系统的基本控制规律 196

6.2.1 比例（P）控制作用 196

6.2.2 比例微分（PD）控制作用 197

6.2.3 积分（I）控制作用 198

6.2.4 比例积分微分（PID）控制作用 199

6.3 校正装置及其特性 200

6.3.1 超前校正装置 201

6.3.2 滞后校正装置 203

6.3.3 滞后-超前校正装置 206

6.4 频率法进行串联校正 207

6.4.1 频率法的串联超前校正 208

6.4.2 频率法的串联滞后校正 211

6.4.3 频率法的串联滞后-超前校正 213

6.4.4 按期望特性对系统进行串联校正 216

6.5 反馈校正 220

6.5.1 反馈校正的原理与特点 220

6.5.2 综合法反馈校正 223

6.6 复合校正 226

6.6.1 复合校正的基本概念 226

6.6.2 按扰动补偿的复合校正 226

6.6.3 按输入补偿的复合校正 228

6.7.1 相位超前校正 229

6.7 基于MATLAB和Simulink的线性控制系统校正 229

6.7.2 相位滞后校正 231

6.7.3 Simulink下的系统校正 234

本章小结 236

习题 237

第7章 非线性控制系统分析 240

7.1 非线性系统概述 240

7.1.1 常见非线性特性 241

7.1.2 非线性系统的特点 245

7.1.3 非线性系统的分析与设计方法 247

7.2 相平面法 247

7.2.1 相平面的基本概念 248

7.2.2 相轨迹的绘制 249

7.3.2 奇点 252

7.3.1 二阶线性系统的相轨迹 252

7.3 二阶系统的相轨迹 252

7.3.3 奇线 254

7.3.4 非线性系统的相平面分析 255

7.4 描述函数法 261

7.4.1 描述函数定义 261

7.4.2 描述函数的计算 263

7.4.3 非线性系统的描述函数分析 269

7.5 基于Simulink的非线性系统分析 273

本章小结 276

习题 277

第8章 线性离散系统分析 281

8.1 离散系统概述 281

8.1.1 采样控制系统 281

8.2 信号的采样与复现 283

8.1.2 数字控制系统 283

8.1.3 离散控制系统的特点 283

8.2.1 采样过程 284

8.2.2 采样定理 285

8.2.3 零阶保持器 287

8.3 z变换 289

8.3.1 z变换定义 289

8.3.2 z变换性质 294

8.3.3 z反变换 297

8.4 离散系统的数学模型 299

8.4.1 线性常系数差分方程 299

8.4.2 差分方程求解 299

8.4.3 脉冲传递函数 301

8.4.4 开环系统脉冲传递函数 303

8.4.5 闭环系统脉冲传递函数 305

8.5 离散系统的性能分析 307

8.5.1 离散系统的稳定性分析 308

8.5.2 离散系统的稳定性判据 308

8.5.3 采样周期与开环增益对稳定性的影响 310

8.5.4 离散系统的稳态误差 311

8.5.5 闭环极点与瞬态响应的关系 313

8.6 MATLAB在采样系统中的应用 316

8.6.1 连续系统的离散化 316

8.6.2 求离散系统响应 317

本章小结 318

习题 318

附录A MATLAB和Simulink简介 322

附录B 控制理论术语中英文对照表 325

参考文献 337