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第1章 自动控制的一般概念 1

1.1 自动控制与自动控制系统 1

1.2 自动控制的方式 2

1.2.1 开环控制与闭环控制 2

1.2.2 闭环控制系统的组成 4

1.3 自动控制系统的分类 5

1.4 对自动控制系统的基本要求 7

1.5 自动控制系统的分析与设计工具 8

本章小结 10

习题 10

第2章 控制系统的数学模型 12

2.1 引言 12

2.2 控制系统的时域数学模型 12

2.2.1 线性元件的微分方程 12

2.2.2 控制系统的微分方程的建立 14

2.2.3 线性微分方程的求解 15

2.2.4 非线性元件微分方程的线性化 16

2.3 控制系统的复数域数学模型 18

2.3.1 传递函数的定义和性质 19

2.3.2 传递函数的几种表示形式 20

2.3.3 典型环节及其传递函数 21

2.4 控制系统的方块图及其等效变换 25

2.4.1 方块图定义 25

2.4.2 方块图组成及绘制 25

2.4.3 方块图的等效变换 26

2.4.4 控制系统的传递函数 28

2.5 控制系统的信号流图 33

2.5.1 信号流图及其等效变换 33

2.5.2 梅森公式及其应用 36

2.6 数学模型的实验测定法 37

2.7 MATLAB在控制系统数学模型中的应用 40

本章小结 43

习题 43

第3章 线性系统的时域分析法 47

3.1 典型输入信号及性能指标 47

3.1.1 典型输入信号 47

3.1.2 稳态指标与动态指标 48

3.2 一阶系统的时域分析 49

3.2.1 一阶系统的单位阶跃响应 50

3.2.2 一阶系统的单位脉冲响应 50

3.2.3 一阶系统的单位斜坡响应 51

3.2.4 一阶系统的单位加速度响应 51

3.3 二阶系统的时域分析 52

3.3.1 二阶系统的阶跃响应 52

3.3.2 二阶系统阶跃响应的性能指标 55

3.3.3 二阶系统性能指标的改善 57

3.4 高阶系统的时域分析 60

3.5 线性系统的稳定性分析 62

3.5.1 稳定的基本概念和系统稳定的充要条件 63

3.5.2 劳斯稳定判据 64

3.5.3 劳斯稳定判据的应用 67

3.6 线性系统的稳态误差 68

3.6.1 稳态误差的定义 68

3.6.2 系统类型 70

3.6.3 给定作用下的稳态误差 70

3.6.4 扰动作用下的稳态误差 73

3.6.5 减小或消除稳态误差的措施 73

3.7 MATLAB在时域分析法中的应用 77

本章小结 80

习题 81

第4章 线性系统的根轨迹分析法 84

4.1 根轨迹的基本概念 84

4.1.1 根轨迹 84

4.1.2 根轨迹的幅值条件和相角条件 85

4.2 根轨迹的绘制法则 86

4.2.1 绘制常规根轨迹一般法则 86

4.2.2 根轨迹绘制举例 94

4.3 广义根轨迹 96

4.3.1 参量根轨迹 96

4.3.2 零度根轨迹 98

4.4 开环零极点变化对根轨迹的影响 100

4.4.1 开环零极点位置的相对变化对根轨迹的影响 100

4.4.2 增加开环零点对根轨迹的影响 101

4.4.3 增加开环极点对根轨迹的影响 102

4.5 根轨迹法分析控制系统 103

4.5.1 根轨迹确定系统的闭环极点 103

4.5.2 系统的稳定性分析及相关参数的确定 103

4.5.3 根轨迹分析系统的动态性能 105

4.6 MATLAB存根轨迹分析中的应用 105

4.6.1 系统根轨迹绘制 106

4.6.2 由根轨迹图分析系统性能 107

本章小结 109

习题 109

第5章 线性系统的频域分析法 112

5.1 频率特性及其表示法 112

5.1.1 频率特性的基本概念 112

5.1.2 频率特性的几种表示法 114

5.2 频率特性的极坐标图（Nyquist图） 116

5.2.1 典型环节频率特性的极坐标图 116

5.2.2 系统开环频率特性的极坐标图 119

5.3 频率特性的对数坐标图 122

5.3.1 典型环节频率特性的Bode图 122

5.3.2 系统开环频率特性的Bode图 126

5.3.3 最小相位系统 128

5.3.4 传递函数的频域实验确定 129

5.4 频率域的稳定判据 130

5.4.1 幅角原理 130

5.4.2 奈奎斯特稳定判据 131

5.4.3 对数频率稳定判据 134

5.5 稳定裕度 135

5.5.1 稳定裕度的定义 135

5.5.2 稳定裕度的计算 136

5.6 利用开环频率特性分析系统的性能 138

5.7 利用闭环频率特性分析系统的性能 140

5.7.1 闭环频率特性 140

5.7.2 闭环频域指标与时域指标的关系 140

5.7.3 开环频域指标与时域指标的关系 142

5.8 MATLAB在频率分析法中的应用 143

本章小结 145

习题 145

第6章 控制系统的校正 148

6.1 引言 148

6.2 PID控制方法的分析 150

6.2.1 P控制器 150

6.2.2 PI控制器 150

6.2.3 PD控制器 151

6.2.4 PID控制器 151

6.2.5 PID控制器参数整定 154

6.3 常用校正装置及其特性 156

6.3.1 超前校正装置及其特性 157

6.3.2 滞后校正装置及其特性 157

6.3.3 滞后－超前校正装置及其特性 158

6.4 基于频率法的串联校正设计 159

6.4.1 串联超前校正 159

6.4.2 串联滞后校正 161

6.4.3 串联超前－滞后校正 163

6.4.4 按期望特性对系统进行串联校正 165

6.5 反馈校正 166

6.5.1 利用反馈校正改变局部环节的结构与参数 167

6.5.2 利用负反馈可以消除系统不可变部分中的不希望有的特性 168

6.5.3 利用反馈校正抑制一些严重扰动 168

6.6 MATLAB在控制系统校正中的应用 169

6.6.1 MATLAB指令在系统校正中的应用 170

6.6.2 Simulink在系统校正中的应用 171

本章小结 172

习题 173

第7章 线性离散控制系统 175

7.1 引言 175

7.2 采样与保持 176

7.2.1 采样过程 177

7.2.2 理想采样过程 178

7.2.3 保持器 179

7.3 z变换 181

7.3.1 时间函数的z变换 181

7.3.2 z变换的性质 184

7.3.3 z反变换 186

7.4 脉冲传递函数 188

7.4.1 脉冲传递函数的推导与计算 188

7.4.2 开环脉冲传递函数 189

7.4.3 闭环系统脉冲传递函数 192

7.5 离散控制系统的稳定性分析 196

7.5.1 s平面与z平面之间的映射 196

7.5.2 z平面上的稳定性分析方法 197

7.5.3 双线变换性 198

7.5.4 w平面上的稳定性分析方法 199

7.6 离散控制系统的时间响应 199

7.6.1 闭环极点与冲激响应的关系 199

7.6.2 离散系统的动态响应指标 202

7.6.3 离散系统的稳态误差 203

7.7 离散控制系统的校正 205

7.7.1 数字控制器的脉冲传递函数 205

7.7.2 最少拍系统设计 206

7.7.3 数字校正装置的实现 209

7.8 利用MATLAB进行离散控制系统分析 209

7.8.1 数学模型的处理 210

7.8.2 离散系统的输出响应 211

7.8.3 用Simulink 对离散系统进行仿真 212

本章小结 212

习题 213

第8章 非线性系统分析 216

8.1 非线性系统的概述 216

8.1.1 典型的非线性特性 216

8.1.2 非线性系统的特点 218

8.2 描述函数分析法 219

8.2.1 描述函数的基本概念 219

8.2.2 典型非线性环节的描述函数 221

8.2.3 非线性系统的简化 224

8.2.4 基于描述函数法的非线性系统的分析 226

8.3 基于MATLAB/Simulink的非线性系统分析 230

本章小结 231

习题 231

附录A 习题参考答案 233

参考文献 244