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第1章 自动控制的一般概念 1

1.1自动控制的基本原理与方式 1

1.1.1自动控制技术及其应用 1

1.1.2自动控制理论 1

1.1.3反馈控制原理 3

1.1.4反馈控制系统的基本组成 4

1.1.5自动控制系统基本控制方式 5

1.2自动控制系统示例 7

1.2.1函数记录仪 7

1.2.2火炮方位角控制系统 7

1.2.3导弹自动驾驶仪 8

1.2.4电压调节系统 9

1.3自动控制系统的分类 9

1.4对自动控制系统的基本要求 10

1.4.1基本要求的提法 10

1.4.2典型外作用 12

1.5本课程的研究内容 13

1.6小结 14

习题 15

第2章 控制系统的数学模型 17

2.1控制系统的时域数学模型 17

2.1.1线性元件的微分方程 17

2.1.2线性定常微分方程的求解 20

2.1.3非线性微分方程的线性化 21

2.1.4运动的模态 22

2.2控制系统的复数域数学模型 23

2.2.1传递函数的定义和性质 23

2.2.2典型元部件的传递函数 26

2.3控制系统的结构图与信号流图 32

2.3.1控制系统结构图的组成和绘制 32

2.3.2结构图的等效变换与简化 34

2.3.3信号流图的组成及性质 38

2.3.4信号流图的绘制 39

2.3.5梅森增益公式 40

2.3.6闭环系统的传递函数 41

2.4数学模型的实验测定法 42

2.4.1数学模型实验测定的主要方法 43

2.4.2输入测试信号的选择 43

2.4.3测定实验注意事项 43

2.4.4实验结果的数据处理 44

2.5小结 45

习题 45

第3章 线性系统的时域分析法 49

3.1线性系统时间响应的性能指标 49

3.1.1典型输入信号 49

3.1.2动态过程与稳态过程 50

3.1.3动态性能与稳态性能 50

3.2一阶系统的时域分析 51

3.2.1一阶系统的数学模型 51

3.2.2典型输入下一阶系统的响应 52

3.3二阶系统的时域分析 54

3.3.1二阶系统的数学模型 54

3.3.2二阶系统的单位阶跃响应 55

3.3.3欠阻尼二阶系统的动态过程分析 57

3.3.4过阻尼二阶系统的动态过程分析 60

3.3.5二阶系统的单位斜坡响应 61

3.3.6二阶系统性能的改善 65

3.3.7非零初始条件下二阶系统的响应过程 68

3.4高阶系统的时域分析 69

3.4.1三阶系统的单位阶跃响应 69

3.4.2高阶系统的阶跃响应 71

3.4.3闭环主导极点 71

3.4.4高阶系统的动态性能估算 72

3.5线性系统的稳定性分析 73

3.5.1稳定性的基本概念 73

3.5.2线性系统稳定的充要条件 73

3.5.3劳斯一赫尔维茨稳定判据 74

3.5.4劳斯稳定判据的特殊情况 76

3.5.5劳斯稳定判据的应用 77

3.6线性系统的稳态误差计算 78

3.6.1误差与稳态误差 78

3.6.2系统类型 79

3.6.3阶跃输入作用下的稳态误差与静态位置误差系数 80

3.6.4斜坡输入作用下的稳态误差与静态速度误差系数 80

3.6.5加速度输入作用下的稳态误差与静态加速度误差系数 81

3.6.6动态误差系数法 83

3.6.7扰动作用下的稳态误差 85

3.6.8减小或消除稳态误差的措施 88

3.7小结 91

习题 92

第4章 线性系统的根轨迹法 96

4.1根轨迹法的基本概念 96

4.1.1根轨迹概念 96

4.1.2根轨迹与系统性能 97

4.1.3闭环零、极点与开环零、极点之间的关系 97

4.1.4根轨迹方程 98

4.2根轨迹绘制的基本法则 99

4.3广义根轨迹 106

4.3.1参数根轨迹 106

4.3.2零度根轨迹 107

4.4系统性能的分析与估算 108

4.5小结 109

习题 109

第5章 线性系统的频域分析法 112

5.1引言 112

5.2频率特性 112

5.2.1频率特性的基本概念 112

5.2.2频率特性的几何表示法 114

5.3典型环节和开环系统频率特性 116

5.3.1典型环节 116

5.3.2典型环节的频率特性 117

5.3.3开环幅相曲线绘制 121

5.3.4开环对数频率特性曲线 124

5.3.5传递函数的频域实验确定 126

5.4频率域稳定判据 127

5.4.1奈奎斯特判据基础 128

5.4.2奈奎斯特稳定判据 131

5.4.3对数频率稳定判据 132

5.5稳定裕度 133

5.6闭环系统的频域性能指标 135

5.6.1控制系统的频带宽度 135

5.6.2闭环系统频域指标和时域指标的转换 136

5.7小结 138

习题 138

第6章 线性系统的校正方法 142

6.1系统的设计与校正问题 142

6.1.1性能指标 142

6.1.2系统带宽的选择 143

6.1.3校正方式 144

6.1.4基本控制规律 145

6.2常用校正装置及其特性 148

6.2.1无源校正网络 148

6.2.2有源校正装置 151

6.3串联校正 153

6.3.1频率响应法校正设计 153

6.3.2串联超前校正 154

6.3.3串联滞后校正 157

6.3.4串联滞后一超前校正 159

6.3.5串联综合法校正 161

6.3.6串联工程设计方法 165

6.4反馈校正 167

6.4.1反馈校正的原理与特点 167

6.4.2测速一相角超前网络反馈校正 168

6.4.3综合法反馈校正 168

6.5复合校正 169

6.5.1复合校正的概念 170

6.5.2按扰动补偿的复合校正 170

6.5.3按输入补偿的复合校正 171

6.6小结 174

习题 175

第7章 离散系统的分析 178

7.1离散系统基本概念 178

7.1.1采样控制系统 178

7.1.2数字控制系统 179

7.1.3数字控制系统与采样控制系统的关系 180

7.1.4离散控制系统的特点 180

7.1.5离散系统的研究方法 181

7.2信号采样与保持 181

7.2.1信号采样 181

7.2.2零阶保持器 183

7.3变换理论 184

7.3.1z变换定义 184

7.3.2 z变换方法 184

7.3.3z变换的基本定理 185

7.3.4 z反变换 187

7.3.5 z变换法的局限性 188

7.4.离散系统的数学模型 189

7.4.1线性常系数差分方程及其解法 189

7.4.2脉冲传递函数 190

7.4.3开环系统脉冲传递函数 191

7.4.4闭环系统脉冲传递函数 193

7.5离散系统的稳定性与稳态误差 194

7.5.1s域到z域的映射 195

7.5.2线性定常离散系统稳定的充分必要条件 196

7.5.3离散系统的稳定性判据 197

7.5.4离散系统的稳态误差 198

7.6离散系统的动态性能分析 199

7.6.1离散系统的时间响应 199

7.6.2闭环极点与动态响应的关系 200

7.7离散系统的数字校正 201

7.7.1数字控制器的脉冲传递函数 201

7.7.2最少拍系统设计 201

第8章 控制系统的状态空间分析与综合 203

8.1控制系统的状态空间描述 203

8.1.1基本概念 203

8.1.2系统的传递函数矩阵 206

8.1.3线性定常系统动态方程的建立 206

8.2线性系统的运动分析 213

8.2.1线性定常连续系统的自由运动 213

8.2.2状态转移矩阵的性质 216

8.2.3线性定常连续系统的受控运动 216

8.2.4线性定常离散系统的运动分析 217

8.3控制系统的李雅普诺夫稳定性分析 218

8.3.1李雅普诺夫稳定性概念 218

8.3.2李雅普诺夫稳定性间接判别法 219

8.3.3李雅普诺夫稳定性直接判别法 219

8.3.4线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析 223

8.4线性系统的可控性和可观测性 224

8.4.1基本概念 224

8.4.2线性定常系统的可控性 225

8.4.3线性定常系统的可观测性 230

8.4.4可控性、可观测性与传递函数矩阵的关系 232

8.4.5连续系统离散化后的可控性与可观测性 233

8.5线性系统非奇异线性变换及系统的规范分解 234

8.5.1线性系统的非奇异线性变换及其性质 234

8.5.2几种常用的线性变换 234

8.5.3对偶原理 237

8.5.4线性系统的规范分解 238

8.6线性定常控制系统的综合设计 239

8.6.1状态反馈与极点配置 240

8.6.2输出反馈与极点配置 242

8.6.3状态重构与状态观测器设计 242

8.6.4降维状态观测器的例子 244

参考文献 246