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第1章 绪论 1

1．1 引言 1

1．2 自动控制系统实例 1

1．2．1 液面高度控制系统 1

1．2．2 位置随动控制系统 3

1．3 自动控制系统的结构及工作原理 3

1．4 自动控制系统的类别 5

1．4．1 开环与闭环控制系统 5

1．4．2 线性与非线性控制系统 7

1．4．3 连续与离散控制系统 7

1．4．4 恒值与随动控制系统 8

1．5 自动控制系统设计的性能要求及任务 8

1．6 自动控制系统理论的发展简史 9

1．7 结语 11

1．8 习题 12

第2章 自动控制系统的数学模型 15

2．1 引言 15

2．2 控制系统的微分方程模型 16

2．2．1 微分方程模型建模方法及举例 16

2．2．2 非线性微分方程模型的线性化 17

2．2．3 拉普拉斯变换及线性微分方程模型的解 18

2．3 控制系统的传递函数模型 20

2．3．1 传递函数的概念 21

2．3．2 传递函数的基本性质 22

2．3．3 传递函数的表示方法 22

2．3．4 典型环节的传递函数 24

2．3．5 用拉普拉斯变换求解线性系统的输出 28

2．4 控制系统的频域模型 28

2．5 控制系统的框图与传递函数 29

2．5．1 框图的绘制方法 29

2．5．2 框图的等效简化 30

2．5．3 框图与传递函数 33

2．6 控制系统的信号流图与传递函数 35

2．6．1 信号流图的概念 35

2．6．2 信号流图的性质 36

2．6．3 信号流图与框图的等效 36

2．6．4 梅逊公式及传递函数 36

2．7 控制系统数学模型的Matlab方法 38

2．7．1 系统微分方程模型的解曲线 38

2．7．2 多项式的表示及运算 39

2．7．3 系统传递函数的表示及运算 40

2．8 结语 44

2．9 习题 44

第3章 自动控制系统的时域分析 50

3．1 引言 50

3．2 典型测试信号 50

3．3 控制系统的稳定性 52

3．3．1 稳定性的概念 52

3．3．2 劳斯稳定性判据 55

3．3．3 相对稳定性和稳定裕量 58

3．4 控制系统的稳态误差 59

3．4．1 给定稳态误差 59

3．4．2 扰动稳态误差 64

3．5 控制系统的瞬态响应分析 65

3．5．1 瞬态响应指标 65

3．5．2 一阶系统的瞬态响应 66

3．5．3 二阶系统的瞬态响应 68

3．5．4 零、极点对二阶系统瞬态响应的影响 77

3．5．5 高阶系统的瞬态响应 79

3．6 时域分析的Matlab方法 83

3．6．1 单位阶跃响应 83

3．6．2 单位脉冲响应 85

3．6．3 一般输入信号下的响应 86

3．7 结语 87

3．8 习题 88

第4章 自动控制系统的根轨迹法 92

4．1 引言 92

4．2 根轨迹的基本概念 92

4．2．1 根轨迹 92

4．2．2 根轨迹与系统性能的关系 93

4．2．3 闭环零、极点与开环零、极点的关系 94

4．3 根轨迹的幅值条件及相角条件 95

4．4 根轨迹的绘制步骤 96

4．5 控制系统的根轨迹分析 107

4．5．1 利用根轨迹确定系统的有关参数 107

4．5．2 开环零、极点对根轨迹的影响 108

4．5．3 参数变化对闭环极点的影响 109

4．6 根轨迹的Matlab方法 115

4．6．1 绘制系统的零、极点分布图 115

4．6．2 绘制系统的根轨迹 116

4．6．3 根轨迹与系统性能 120

4．7 结语 125

4．8 习题 125

第5章 自动控制系统的频率响应法 133

5．1 引言 133

5．2 频率特性 133

5．2．1 频率特性的基本概念 133

5．2．2 频率特性的求取 136

5．3 频率特性的几何表示方法 138

5．3．1 极坐标图（奈奎斯特图） 138

5．3．2 典型环节的极坐标图 139

5．3．3 对数坐标图（伯德图） 142

5．3．4 基本因子的对数坐标图 142

5．4 控制系统开环频率特性的绘制 151

5．4．1 开环极坐标图的绘制 151

5．4．2 开环对数坐标图的绘制 153

5．4．3 最小相位系统和非最小相位系统 157

5．4．4 频率特性函数的几项重要性质 158

5．5 控制系统稳定性的奈奎斯特判据 161

5．5．1 围线映射及辐角原理 162

5．5．2 奈奎斯特稳定性判据 163

5．5．3 奈奎斯特稳定性判据的应用举例 165

5．5．4 对数坐标图的奈奎斯特稳定性判据 172

5．6 控制系统瞬态性能的频率特性指标 175

5．6．1 稳定裕度 175

5．6．2 相位裕量 176

5．6．3 增益裕量 177

5．6．4 开环频率特性与时域响应的关系 179

5．6．5 闭环频率特性指标 184

5．7 频率响应的Matlab方法 188

5．7．1 用nyquist（sys）绘制极坐标图（奈奎斯特图） 188

5．7．2 用bode（sys）绘制对数坐标图（伯德图） 191

5．7．3 用margin（sys）计算增益裕量和相位裕量 192

5．8 结语 193

5．9 习题 195

第6章 自动控制系统的校正 201

6．1 引言 201

6．2 串联超前校正 202

6．2．1 超前校正网络 202

6．2．2 基于根轨迹的超前校正 204

6．2．3 基于对数坐标图的超前校正 206

6．3 串联滞后校正 208

6．3．1 滞后校正网络 208

6．3．2 基于根轨迹的滞后校正 210

6．3．3 基于对数坐标图的滞后校正 212

6．4 串联超前-滞后校正 214

6．4．1 超前-滞后校正网络 214

6．4．2 基于根轨迹的超前-滞后校正 215

6．4．3 基于对数坐标图的超前-滞后校正 217

6．5 比例-积分-微分（PID）控制 219

6．5．1 比例（P）控制 219

6．5．2 比例-积分（PI）控制 220

6．5．3 比例-微分（PD）控制 222

6．5．4 比例-积分-微分（PID）控制 223

6．6 利用Matlab进行系统设计 224

6．7 结语 231

6．8 习题 231

第7章 非线性控制系统分析 234

7．1 引言 234

7．2 控制系统中常见的非线性因素与性态 236

7．2．1 常见的非线性因素及等效增益 236

7．2．2 非线性系统的性态 238

7．3 相平面分析 240

7．3．1 相平面分析的基本概念 241

7．3．2 绘制相轨迹 244

7．3．3 线性系统的相平面分析 245

7．3．4 非线性系统的相平面分析 249

7．4 李雅普诺夫理论 251

7．4．1 非线性系统与平衡点 251

7．4．2 稳定的概念 254

7．4．3 线性化与局部稳定性 255

7．4．4 李雅普诺夫直接法 256

7．5 描述函数法 259

7．5．1 描述函数的基本概念 260

7．5．2 典型非线性特性的描述函数 262

7．6 结语 266

7．7 习题 266

参考文献 269