第1章 概论 1
1.1 自动控制理论的发展历史 1
1.2 自动控制系统的基本控制方式 3
1.3 控制系统的分类 5
1.4 控制系统的组成与对控制系统的基本要求 7
1.4.1 控制系统的组成 7
1.4.2 自动控制系统的基本要求 8
习题 9
第2章 控制系统的数学模型 11
2.1 控制系统的运动方程式 11
2.2 传递函数 16
2.2.1 传递函数的定义及性质 16
2.2.2 系统典型联接时等效传递函数的求取 20
2.2.3 控制系统的传递函数 22
2.3 控制系统的方框图及其简化 24
2.3.1 方框图的构成 24
2.3.2 方框图的绘制 25
2.3.3 方框图的简化 26
2.4 信号流图 32
2.4.1 信号流图中的术语 32
2.4.2 信号流图的性质 33
2.4.3 信号流图的运算法则 33
2.4.4 控制系统的信号流图 35
2.4.5 梅森增益公式 36
2.5.1 理想单位脉冲函数的定义及性质 40
2.5 脉冲响应 40
2.5.2 脉冲响应函数与系统传递函数的关系 41
2.6 非线性运动方程的线性化 42
2.6.1 小偏差线性化的基本概念 43
2.6.2 小偏差线性化的举例 44
2.7 应用Matlab建立控制系统的数学模型 48
2.7.1 系统的数学模型建立 48
2.7.2 系统的连接 49
2.7.3 模型的转换 51
习题 51
第3章 线性系统的时域分析 55
3.1 典型输入信号 55
3.2 一阶系统的时域分析 57
3.2.1 单位阶跃函数作用下一阶系统的响应过程 58
3.2.2 理想单位脉冲函数作用下一阶系统的响应过程 59
3.2.3 单位速度函数作用下一阶系统的响应过程 60
3.2.4 单位加速度函数作用下一阶系统的响应过程 60
3.3 二阶系统的时域分析 61
3.3.1 二阶系统的标准形式 61
3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应 63
3.3.3 二阶系统欠阻尼响应过程分析 67
3.3.4 二阶系统欠阻尼响应的计算举例 71
3.3.5 二阶系统的脉冲响应 73
3.3.6 二阶系统的单位斜坡响应 75
3.3.7 具有闭环负实零点时二阶系统的单位阶跃响应 76
3.3.8 初始条件不为零时二阶系统的响应过程 79
3.4 高阶系统的时域分析 81
3.4.1 闭环主导极点 81
3.4.2 三阶系统的单位阶跃响应 84
3.5 线性系统的稳定性与稳定判据 85
3.5.1 稳定的概念和定义 85
3.5.2 线性系统稳定的条件 86
3.5.3 稳定判据 88
3.6 反馈系统的稳态误差 92
3.6.1 反馈系统的误差与偏差 92
3.6.2 反馈系统的稳态误差及其计算 94
3.6.3 消除系统稳态误差的措施 102
3.7 顺馈控制的误差分析 105
3.7.1 应用顺馈补偿扰动信号对系统输出的影响 105
3.7.2 应用顺馈减小系统响应参考输入信号的误差 107
3.8 基于Matlab的控制系统的时域分析 109
3.8.1 线性系统的阶跃响应 109
3.8.2 控制系统的性能指标计算 111
3.8.3 线性系统的单位脉冲响应 112
3.8.4 线性系统的任意输入响应 113
3.8.5 线性系统的稳定性分析 114
习题 114
4.1 根轨迹的概念 118
4.1.1 根轨迹举例 118
第4章 根轨迹法 118
4.1.2 根轨迹方程 119
4.2 绘制根轨迹的基本规则 122
4.2.1 绘制180°根轨迹的基本规则 122
4.2.2 绘制0°根轨迹的基本规则 131
4.2.3 绘制根轨迹应注意的问题 133
4.3 控制系统的根轨迹分析 134
4.3.1 最小相位系统的根轨迹分析 134
4.3.2 非最小相位系统的根轨迹分析 139
4.3.3 参量根轨迹 141
4.4.3 计算给定一组特征根的根轨迹增益ki 146
4.4.2 绘制系统的根轨迹图 146
4.4.1 绘制系统的开环零极点图 146
4.4 用Matlab绘制根轨迹图 146
4.4.4 根轨迹设计工具rltool 148
习题 149
第5章 线性系统的频域分析 152
5.1 频率响应及其描述 152
5.1.1 系统对正弦输入信号的稳态输出 152
5.1.2 频率响应和频率特性 154
5.1.3 频率特性的图形描述 155
5.2 开环系统的幅相频率特性 156
5.2.1 典型环节 157
5.2.2 典型环节的奈氏图 158
5.2.3 开环系统的奈氏图 162
5.3.1 对数频率特性图的基本概念 166
5.3 开环系统的对数频率特性 166
5.3.2 典型环节的伯德图 168
5.3.3 开环系统的伯德图 173
5.3.4 最小相位系统和非最小相位系统 175
5.4 频域稳定性分析 179
5.4.1 奈氏稳定判据 180
5.4.2 控制系统的相对稳定性 187
5.5 频率指标与时域指标的关系 191
5.5.1 闭环系统的频率特性 191
5.5.2 控制系统的性能指标 192
5.5.3 二阶系统的时域动态性能指标和频域性能指标的关系 192
5.5.4 高阶系统的时域动态性能指标和频域性能指标的关系 195
5.5.5 系统的稳态性能指标和系统对数幅频特性的关系 196
5.6 Matlab在频域分析中的应用 197
5.6.1 绘制系统的奈氏图 197
5.6.2 绘制系统的伯德图 198
5.6.3 相对稳定性 198
习题 199
第6章 控制系统的综合与校正 204
6.1 线性系统校正的概念 204
6.1.1 控制系统的校正方式及校正方法 204
6.1.2 输入信号与控制系统带宽 206
6.2 超前校正参数的确定 208
6.2.1 超前校正控制器的特性 208
6.2.2 伯德图法设计超前校正控制器 210
6.2.3 超前校正的特点和适用范围 213
6.3.1 迟后校正控制器的特性 214
6.3.2 伯德图法设计迟后校正控制器 214
6.3 迟后校正参数的确定 214
6.3.3 迟后校正的特点和适用范围性 217
6.4 迟后-超前校正参数的确定 218
6.4.1 迟后-超前校正控制器的特性 218
6.4.2 伯德图法设计迟后-超前校正控制器 219
6.4.3 迟后-超前校正的特点和适用范围 222
6.5 期望频率特性校正参数的确定 222
6.5.1 基本概念 222
6.5.2 期望特性校正举例 225
6.5.3 期望特性校正方法的特点 228
6.6.1 反馈校正的功能 229
6.6 反馈校正参数的确定 229
6.6.2 反馈校正参数的确定 232
6.6.3 反馈校正与串联校正的比较 237
6.7 PID控制规律分析 237
6.7.1 比例控制规律分析 237
6.7.2 比例-微分控制规律分析 238
6.7.3 比例-积分控制规律分析 238
6.7.4 比例-积分-微分控制规律分析 239
6.7.5 PID控制器设计实际应用举例 241
6.8 基于Matlab的控制系统设计 245
习题 247
7.1.1 非线性系统的数学描述 251
第7章 非线性控制系统分析 251
7.1 非线性系统的数学描述 251
7.1.2 典型非线性特性 252
7.1.3 非线性控制系统的特点和分析方法 255
7.2 描述函数法 256
7.2.1 谐波线性化 256
7.2.2 典型非线性特性的描述函数 258
7.2.3 非线性控制系统的描述函数分析 263
7.3 相平面法 268
7.3.1 线性系统的相轨迹 269
7.3.2 相轨迹的绘制 271
7.3.3 非线性系统的相平面分析 276
7.4 利用非线性特性改善控制系统的性能 283
7.5 Simulink在非线性控制系统中的应用 285
习题 287
第8章 线性离散系统的分析与综合 290
8.1 采样过程与信号保持 290
8.1.1 采样过程 291
8.1.2 采样定理 293
8.1.3 信号保持 296
8.2 Z变换 298
8.2.1 Z变换的定义 298
8.2.2 Z变换的计算方法 298
8.2.3 Z变换的基本性质 301
8.2.4 Z反变换 302
8.3.1 脉冲传递函数 305
8.3 脉冲传递函数 305
8.3.2 开环系统的脉冲传递函数 307
8.3.3 闭环系统的脉冲传递函数 310
8.4 线性离散系统的稳定性分析 313
8.4.1 s平面与z平面的映射关系 313
8.4.2 线性离散控制系统稳定的充要条件 314
8.4.3 推广的劳斯稳定判据 315
8.5 线性离散系统的时域分析 318
8.5.1 z平面上极点的位置与系统的时间响应 318
8.5.2 线性离散系统的时域响应过程 320
8.5.3 线性离散系统的稳态误差 321
8.6.1 直接数字控制器设计方法 325
8.6 线性离散系统的综合 325
8.6.2 数字控制系统的连续化设计方法 334
8.7 Matlab在离散系统中的应用 335
8.7.1 连续系统的离散化 335
8.7.2 离散系统的数学描述 336
8.7.3 离散系统的仿真 336
习题 338
参考文献 343
附录A 拉普拉斯变换表 344
附录B Z变换表 345
附录C 控制系统工具箱 346
附录D Simulink仿真系统模块库 348