第1章 绪论 1
1.1 自动控制系统的一般概念 1
1.2 自动控制系统的分类 4
1.2.1 开环系统和闭环系统 4
1.2.2 定值、伺服和程序控制系统 6
1.2.3 线性与非线性控制系统 7
1.2.4 连续与离散控制系统 7
1.3 自动控制理论的发展概况 8
1.4 自动控制系统的性能要求 10
本章小结 11
习题 11
第2章 控制系统的数学模型 13
2.1 列写系统微分方程式的一般方法 13
2.1.1 典型元件系统微分方程的建立 14
2.1.2 控制系统微分方程的建立 16
2.2 非线性数学模型的线性化 20
2.3 传递函数 23
2.3.1 传递函数的定义 23
2.3.2 传递函数的基本性质 26
2.3.3 控制系统的典型环节及传递函数 27
2.4 框图和系统的传递函数 33
2.4.1 框图的组成 33
2.4.2 系统框图的建立 34
2.4.3 框图的等效变换 36
2.4.4 自动控制系统的传递函数 40
2.5 信号流图和梅逊公式的应用 44
2.5.1 信号流图的术语和性质 45
2.5.2 梅逊增益公式 47
2.6 Matlab在本章中的应用 49
本章小结 51
习题 51
第3章 控制系统的时域分析法 54
3.1 控制系统的时域性能指标 54
3.1.1 典型输入信号 54
3.1.2 时域性能指标 57
3.2 一阶系统的时域响应 59
3.2.1 一阶系统的数学模型 59
3.2.2 单位阶跃响应 60
3.2.3 单位斜坡响应 61
3.2.4 单位脉冲响应 62
3.2.5 单位加速度响应 62
3.3 二阶系统的时域响应 63
3.3.1 二阶系统的数学模型 63
3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应 65
3.3.3 欠阻尼二阶系统的动态过程分析 69
3.3.4 二阶系统的单位脉冲响应 73
3.4 线性系统的稳定性分析 74
3.4.1 系统稳定的充要条件 74
3.4.2 系统稳定的必要条件 76
3.4.3 劳斯稳定判据 76
3.4.4 赫尔维兹判据 80
3.5 控制系统的稳态误差 81
3.5.1 稳态误差的定义 82
3.5.2 系统类型 83
3.5.3 扰动作用下的稳态误差 87
3.5.4 提高系统稳态精度的方法 88
3.6 Matlab在控制系统时域分析中的应用 88
3.6.1 控制系统的传递函数 88
3.6.2 控制系统的时域响应 91
本章小结 97
习题 97
第4章 根轨迹法 100
4.1 根轨迹法的基本概念 100
4.1.1 根轨迹的概念 100
4.1.2 根轨迹与系统性能 102
4.1.3 根轨迹的幅值条件和相角条件 102
4.2 绘制根轨迹的基本法则 106
4.3 参量根轨迹的绘制 119
4.4 非最小相位系统的根轨迹 123
4.4.1 正反馈回路的根轨迹 123
4.4.2 系统中含有非最小相位元件 124
4.4.3 滞后系统的根轨迹 125
4.5 用根轨迹分析控制系统 126
4.5.1 根轨迹确定系统的有关参数 126
4.5.2 指定K0时的闭环传递函数 129
4.5.3 确定具有不指定阻尼比ζ的闭环极点和单位阶跃响应 131
4.6 Matlab在本章中的应用 132
本章小结 137
习题 138
第5章 频率响应法 142
5.1 频率特性 142
5.1.1 频率特性的基本概念 142
5.1.2 由传递函数确定系统的频率特性 144
5.2 对数坐标图 147
5.2.1 典型因子的伯德图 147
5.2.2 绘制开环系统伯德图的一般步骤 156
5.2.3 最小相位系统与非最小相位系统 158
5.2.4 系统的类型与对数幅频特性曲线低频渐近线的对应关系 160
5.3 极坐标图 162
5.3.1 典型因子的乃氏图 162
5.3.2 极坐标图的一般形状 167
5.4 乃奎斯特稳定判据 170
5.4.1 辐角原理 170
5.4.2 乃奎斯特稳定判据介绍 172
5.4.3 乃氏判别应用于滞后系统 179
5.5 相对稳定性分析 181
5.5.1 增益裕量 182
5.5.2 相位裕量 182
5.5.3 相对稳定性与对数幅频特性中频段斜率的关系 185
5.6 频域性能指标与时域性能指标间的关系 187
5.6.1 闭环频率特性及其特征量 188
5.6.2 二阶系统时域响应与频域响应的关系 190
5.7 传递函数的实验确定 194
5.8 Matlab在本章中的应用 196
5.8.1 用Matlab绘制伯德图 196
5.8.2 用Matlab绘制乃奎斯特图 201
本章小结 204
习题 204
第6章 控制系统的校正 209
6.1 引言 209
6.1.1 受控对象 209
6.1.2 性能指标 210
6.1.3 系统带宽的确定 210
6.1.4 系统校正 211
6.1.5 基本控制规律 213
6.2 串联校正 216
6.2.1 超前校正 216
6.2.2 滞后校正 219
6.2.3 滞后—超前校正 221
6.3 反馈校正 224
6.3.1 利用反馈校正改变局部结构和参数 225
6.3.2 利用反馈校正取代局部结构 227
6.4 前置校正 228
6.4.1 稳定与精度 229
6.4.2 抗扰与跟踪 232
6.5 根轨迹法在系统校正中的应用 232
6.5.1 串联超前校正 233
6.5.2 串联滞后校正 235
6.6 Matlab在本章中的应用 238
本章小结 247
习题 248
第7章 非线性控制系统 251
7.1 非线性控制系统概述 251
7.1.1 研究非线性控制理论的意义 251
7.1.2 非线性系统的特征 253
7.1.3 非线性系统的分析与设计方法 256
7.2 常见非线性及其对系统运动的影响 257
7.2.1 非线性特性的等效增益 257
7.2.2 常见非线性因素对系统运动的影响 259
7.3 非线性元件的描述函数 262
7.3.1 描述函数的基本概念 262
7.3.2 非线性元件描述函数的举例 264
7.3.3 用描述函数法分析非线性控制系统 270
7.4 非线性系统的相平面分析 274
7.5 Matlab在本章中的应用 281
本章小结 286
习题 286
第8章 离散控制系统 289
8.1 引言 289
8.2 信号的采样与复现 292
8.2.1 采样过程 292
8.2.2 采样定理 294
8.2.3 零阶保持器 296
8.3 z变换与z反变换 298
8.3.1 z变换 299
8.3.2 z变换的基本性质 303
8.3.3 z反变换 306
8.4 脉冲传递函数 308
8.4.1 串联环节的脉冲传递函数 309
8.4.2 闭环系统的脉冲传递函数 311
8.5 差分方程 317
8.5.1 差分的定义 317
8.5.2 差分方程 318
8.5.3 用z变换法求解差分方程 319
8.5.4 用迭代法求解差分方程 321
8.6 离散控制系统的性能分析 322
8.6.1 离散控制系统的稳定性分析 322
8.6.2 闭环极点与瞬态响应的关系 326
8.6.3 离散系统的稳态误差 330
8.7 Matlab在离散控制系统分析与设计中的应用 332
8.7.1 利用Simulink分析和设计离散控制系统 332
8.7.2 利用控制系统工具箱分析和设计离散控制系统 338
8.7.3 利用SISO分析工具分析和设计离散控制系统 338
本章小结 340
习题 340