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第1章 自动控制系统的基本概念 1

1．1 自动控制理论发展 1

1．2 自动控制系统的工作原理 2

1．3 自动控制系统的种类及应用实例 6

1．3．1 自动控制系统分类 7

1．3．2 开环控制与闭环控制 8

1．3．3 自动控制系统应用实例 9

1．4 自动控制系统的性能评价 12

1．4．1 稳定性 12

1．4．2 准确性 12

1．4．3 快速性 13

1．5 MATLAB语言简介 13

1．6 小结 14

习题 14

第2章 线性控制系统的数学模型 16

2．1 数学模型的概念和建立方法 16

2．1．1 控制系统数学模型的定义 16

2．1．2 建立数学模型的方法 16

2．1．3 数学模型的表示形式 17

2．2 控制系统的微分方程 17

2．2．1 控制系统微分方程的描述 17

2．2．2 控制系统微分方程的建立 17

2．2．3 非线性微分方程的线性化 23

2．3 控制系统的传递函数 24

2．3．1 传递函数的基本概念 25

2．3．2 典型环节的传递函数 28

2．3．3 传递函数的求取 30

2．4 控制系统的框图与信号流图 32

2．4．1 系统框图的概念和绘制 32

2．4．2 框图的结构变换 33

2．4．3 信号流图 39

2．4．4 梅森公式 40

2．4．5 典型控制系统的传递函数 42

2．5 基于MATLAB的线性系统建模 44

2．5．1 系统模型描述及转换 44

2．5．2 基于Simulink的系统框图及其化简 46

2．6 小结 50

习题 50

第3章 线性控制系统的时域分析法 55

3．1 控制系统的典型输入信号与系统性能指标 55

3．1．1 典型输入信号 55

3．1．2 系统动态性能指标 57

3．2 线性控制系统的稳定性分析 58

3．2．1 稳定的基本概念 58

3．2．2 线性控制系统稳定的充分必要条件 58

3．2．3 劳斯稳定判据 59

3．3 线性控制系统的稳态误差分析与计算 63

3．3．1 稳态误差的基本概念 63

3．3．2 参考输入作用下系统的稳态误差 65

3．3．3 干扰输入作用下系统的稳态误差 68

3．3．4 稳态误差计算的工程应用 71

3．3．5 动态误差系数 72

3．4 一阶系统的时域分析 74

3．4．1 一阶系统的数学模型 74

3．4．2 一阶系统的单位阶跃响应 75

3．4．3 一阶系统的单位斜坡响应 76

3．4．4 一阶系统的单位脉冲响应 77

3．5 二阶系统的时域分析 78

3．5．1 二阶系统的数学模型 78

3．5．2 二阶系统的单位阶跃响应 79

3．5．3 二阶系统的动态性能指标 83

3．5．4 二阶系统性能的改善 88

3．5．5 初始条件不为零时二阶系统的阶跃响应 90

3．6 高阶系统的时域分析 92

3．6．1 高阶系统的数学模型 92

3．6．2 高阶系统的单位阶跃响应 92

3．6．3 闭环主导极点 95

3．7 基于MATLAB的线性系统时域分析 96

3．8 小结 100

习题 101

第4章 线性控制系统的根轨迹分析法 104

4．1 根轨迹法的基本概念和根轨迹方程 104

4．1．1 根轨迹的基本概念 104

4．1．2 根轨迹方程 106

4．2 绘制根轨迹的基本规则 107

4．3 基于根轨迹法的系统性能分析 116

4．4 广义根轨迹的绘制 119

4．4．1 参数根轨迹的绘制 119

4．4．2 零度根轨迹的绘制 120

4．5 MATLAB下的线性系统根轨迹 123

4．5．1 系统零极点图的绘制 123

4．5．2 系统根轨迹的绘制 124

4．5．3 计算根轨迹增益函数 125

4．6 小结 126

习题 126

第5章 线性控制系统的频率特性分析法 128

5．1 频率特性的基本概念和表示方法 128

5．1．1 频率特性的定义 128

5．1．2 频率特性的几何表示方法 130

5．2 控制系统开环传递函数的对数频率特性 132

5．2．1 典型环节的对数频率特性图 132

5．2．2 系统开环对数频率特性图 137

5．2．3 最小相位系统 140

5．3 控制系统开环奈奎斯特图的绘制 143

5．3．1 无零点系统开环奈奎斯特图的绘制 143

5．3．2 有零点系统开环奈奎斯特图的绘制 145

5．4 频域稳定判据与系统稳定性 146

5．4．1 奈奎斯特稳定判据 147

5．4．2 开环系统含有积分环节时奈氏判据的应用 149

5．4．3 奈奎斯特稳定判据在伯德图中的表示形式 151

5．4．4 控制系统的相对稳定性 153

5．5 系统开、闭环频率特性与时域性能的关系 155

5．5．1 系统开环频率特性与时域性能的关系 156

5．5．2 系统闭环频率特性与时域性能的关系 156

5．5．3 系统的频域指标和时域指标的关系 157

5．6 基于MATLAB的线性系统频率特性法分析 158

5．7 小结 160

习题 161

第6章 线性控制系统的串联校正 165

6．1 系统校正的基本方式和方法 165

6．1．1 校正的基本概念 165

6．1．2 校正的基本方式 165

6．1．3 系统校正的设计方法 166

6．2 常用的校正装置及其特性 166

6．2．1 超前校正装置 166

6．2．2 滞后校正装置 169

6．2．3 滞后-超前校正装置 171

6．3 频率特性法的串联校正 173

6．3．1 串联超前校正 173

6．3．2 串联滞后校正 176

6．3．3 串联滞后-超前校正 179

6．3．4 串联校正的期望频率特性法 182

6．4 PID控制器设计 185

6．4．1 PID控制器的工作原理 185

6．4．2 PID控制器的工程设计 190

6．5 线性系统校正的MATLAB实现 191

6．6 小结 194

习题 194

第7章 线性离散控制系统分析 196

7．1 离散系统的基本概念 196

7．2 信号采样与保持 197

7．2．1 信号采样与采样定理 197

7．2．2 保持器 200

7．3 2 变换 202

7．3．1 z变换的定义 202

7．3．2 z变换的性质 202

7．3．3 z变换的方法 204

7．3．4 z反变换 206

7．4 线性离散系统的数学模型 209

7．4．1 线性常系数差分方程 209

7．4．2 脉冲传递函数 211

7．4．3 开环系统脉冲传递函数 212

7．4．4 闭环系统脉冲传递函数 215

7．5 线性离散系统的稳定性与稳态误差 216

7．5．1 线性定常离散系统稳定的充要条件 216

7．5．2 开环放大倍数和采样周期对离散系统稳定性的影响 219

7．5．3 线性离散系统的稳态误差 221

7．6 线性离散系统的动态性能分析 224

7．6．1 线性离散系统的单位阶跃响应 224

7．6．2 闭环极点与动态响应的关系 225

7．7 PID控制器 227

7．7．1 模拟PID控制器 227

7．7．2 数字PID控制器 227

7．8 基于MATLAB的线性离散系统分析 229

7．9 小结 232

习题 232

第8章 非线性控制系统分析 234

8．1 非线性控制系统概述 234

8．1．1 非线性系统数学模型 234

8．1．2 常见的非线性特性 234

8．1．3 非线性控制系统的特点 236

8．2 非线性系统的描述函数法 237

8．2．1 描述函数的基本概念 237

8．2．2 典型非线性特性的描述函数 238

8．2．3 非线性系统的描述函数分析 244

8．3 非线性系统的相平面法 247

8．3．1 相轨迹的概念 247

8．3．2 奇点与极限环 248

8．3．3 相轨迹的绘制 251

8．3．4 非线性系统的相平面分析 252

8．4 利用非线性特性的系统性能改善 254

8．5 基于MATLAB的非线性系统分析 256

8．6 小结 257

习题 258

附录 260

附录A 常用函数的拉普拉斯变换和z变换对照表 260

附录B 部分习题答案 261

参考文献 266