第一章 概论 1
1.1控制理论发展综述 1
1.2自动控制系统的结构 2
1.2.1开环控制系统 2
1.2.2闭环控制系统 3
1.3反馈控制系统的组成和术语 5
1.4自动控制系统分类 6
1.4.1线性控制系统和非线性控制系统 7
1.4.2恒值控制系统和随动系统 7
1.4.3连续控制系统和离散控制系统 7
1.5对控制系统的性能要求和本课程的任务 7
1.5.1对控制系统性能的要求 7
1.5.2本课程的基本内容和要求 8
习题 8
第二章 控制系统的数学模型 11
2.1拉普拉斯变换 11
2.1.1拉普拉斯变换的定义和存在定理 11
2.1.2几种典型函数的拉氏变换 12
2.1.3拉普拉斯变换的性质 15
2.1.4有理分式函数的拉普拉斯反变换 16
2.1.5用拉普拉斯变换求解微分方程 19
2.2系统输入-输出的传递函数描述 20
2.3典型环节传递函数的数学模型 23
2.3.1比例环节 23
2.3.2一阶环节 23
2.3.3积分和微分环节 24
2.3.4二阶环节 24
2.3.5时滞环节 24
2.4用方块图表示的模型 25
2.5信号流程图与梅淼公式 29
2.6状态空间模型简介 34
2.6.1状态、状态变量及状态空间方程 35
2.6.2线性定常控制系统的状态方程描述 36
2.6.3线性定常系统状态空间表达式的结构图和信号流程图 37
2.6.4传递函数与状态空间方程之间关系 37
2.7数学模型的MATLAB描述 38
2.7.1连续系统数学模型的MATLAB表示 38
2.7.2离散系统数学模型的MATLAB表示 41
2.7.3控制系统的建模 42
2.7.4 Simulink建模方法——复杂系统的模型处理方法 43
小结 45
习题 46
第三章 控制系统的时域分析法 48
3.1线性系统的稳定性 48
3.1.1稳定性的基本概念 48
3.1.2线性系统的稳定性 48
3.1.3线性系统稳定的充分必要条件 49
3.1.4劳斯-赫尔维茨稳定判据 49
3.2线性系统稳定性的MATLAB判定方法 56
3.3控制系统的静态误差 58
3.3.1典型输入信号 58
3.3.2静态误差和误差传递函数 59
3.3.3静态误差系数 59
3.3.4动态误差 61
3.4控制系统的暂态响应性能指标 63
3.5一阶系统暂态响应 64
3.5.1一阶系统的单位阶跃响应 64
3.5.2一阶系统的单位脉冲响应 65
3.5.3线性定常系统的重要特性 65
3.6二阶系统的暂态响应 65
3.6.1二阶系统的单位阶跃响应 66
3.6.2二阶系统的暂态响应指标 70
3.6.3二阶系统的脉冲响应 72
3.7高阶系统的暂态响应 74
3.8用MATLAB进行暂态响应分析 75
3.8.1线性系统的MATLAB表示 75
3.8.2传递函数系统单位阶跃响应的求法 76
3.8.3脉冲响应 76
3.8.4求脉冲响应的另一种方法 77
3.8.5斜坡响应 77
3.8.6系统时域响应的直接求取 78
小结 79
习题 80
第四章 根轨迹法 83
4.1根轨迹图 83
4.2绘制根轨迹的数学依据及其性质 84
4.2.1开环传递函数的两种表达式 84
4.2.2闭环特征方程的几种表达形式 85
4.2.3绘制根轨迹的数学依据 85
4.3绘制根轨迹的一般规则 87
4.3.1绘制根轨迹规则的阐述 87
4.3.2绘制根轨迹规则的列表 90
4.4例题 91
4.5参数根轨迹和多回路系统的根轨迹 97
4.5.1参数根轨迹 97
4.5.2多回路系统的根轨迹 98
4.6正反馈回路和非最小相位系统根轨迹 99
4.6.1正反馈回路根轨迹 99
4.6.2非最小相位系统之根轨迹 100
小结 101
习题 101
第五章 频率响应法 104
5.1频率特性 104
5.1.1由传递函数求系统的频率响应 104
5.1.2由实验方法求频率特性 106
5.1.3频率特性的基本概念 106
5.2极坐标图 108
5.2.1典型环节的奈奎斯特曲线 109
5.2.2开环系统的奈奎斯特图 112
5.3对数坐标图 116
5.3.1典型环节的伯德图 117
5.3.2开环系统的伯德图 123
5.3.3最小相位系统与非最小相位系统 124
5.3.4系统开环对数幅频特性与闭环稳态误差的关系 126
5.4奈奎斯特稳定判据 128
5.4.1辐角原理 129
5.4.2奈奎斯特稳定判据 130
5.4.3奈奎斯特稳定性判据的进一步说明 132
5.5相对稳定性分析 136
5.5.1用奈奎斯特图表示相位裕量和幅值裕量 136
5.5.2用伯德图表示相位裕量和幅值裕量 137
5.5.3对数幅频特性中频段与系统动态性能的关系 140
5.6频域性能指标与时域性能指标间的关系 142
5.6.1开环频率特性中相位裕量与时域性能指标的关系 142
5.6.2闭环频率特性及其特征量 144
5.6.3闭环频域特性与时域响应性能指标的关系 146
小结 148
习题 148
第六章 自动控制系统的设计 153
6.1控制系统设计的基本思路 153
6.2串联校正装置的结构与特性 154
6.2.1超前校正 154
6.2.2滞后校正 157
6.2.3滞后-超前校正 159
6.3基于频率法的串联校正设计 161
6.3.1超前校正 161
6.3.2滞后校正 163
6.3.3滞后-超前校正 165
6.3.4基于频率法的MATLAB串联校正设计 167
6.4基于根轨迹的串联校正设计 169
6.4.1超前校正 169
6.4.2滞后校正 177
6.4.3滞后超前校正 179
6.4.4基于根轨迹的串联校正MATLAB设计 181
6.5 PID校正 183
6.5.1 PlD控制器工作原理 184
6.5.2 Ziegler-Nichols整定公式 188
6.6控制器的极点配置方法 194
小结 196
习题 197
第七章 离散系统分析 200
7.1离散系统引论 200
7.2连续信号的采样与复现 201
7.2.1采样过程及其数学描述 201
7.2.2保持器 202
7.2.3采样定理 203
7.3 z变换 203
7.3.1 z变换的定义 203
7.3.2 z变换性质 204
7.3.3 z变换方法 205
7.4 z反变换 207
7.5脉冲传递函数 208
7.5.1脉冲传递函数的基本概念 208
7.5.2串联环节的开环脉冲传递函数 210
7.5.3闭环系统的脉冲传递函数 212
7.6求离散系统的时域响应 214
7.7离散系统的稳定性分析 216
7.7.1离散系统稳定条件 216
7.7.2离散系统的劳斯稳定判据 217
7.8离散系统的频率特性分析 218
7.9采样系统的稳态误差分析 221
7.10采样控制系统的综合 222
7.10.1采用连续系统的相似校正方法 222
7.10.2串联数字校正装置的校正方法 222
7.10.3最少拍采样控制系统的校正 224
小结 225
习题 226
第八章 非线性系统分析 228
8.1非线性系统概述 228
8.1.1非线性系统数学模型 228
8.1.2非线性系统与线性系统的比较 228
8.1.3非线性系统研究方法 229
8.1.4典型非线性环节的输入、输出特性 229
8.2小范围线性近似法 232
8.3相平面的概念及相轨迹作图方法 234
8.3.1相平面基本概念 234
8.3.2相轨迹作图方法 238
8.4非线性控制系统相平面分析 247
8.5非线性环节的描述函数 253
8.5.1描述函数的基本概念 253
8.5.2典型非线性环节的描述函数 254
8.6非线性控制系统的描述函数分析 258
8.6.1非线性系统的稳定性判据 258
8.6.2自持振荡幅值与频率的确定 259
8.6.3含典型非线性环节的控制系统分析 259
小结 261
习题 262
第九章 MATLAB语言简介 266
9.1系统仿真 266
9.2 MATLAB集成环境的组成 266
9.3 MATLAB的应用基础 267
9.3.1基本操作及命令 267
9.3.2 MATLAB函数 269
9.3.3绘制响应曲线 269
9.3.4 MATLAB语言的联机帮助功能 271
9.4经典控制系统分析及设计 272
9.4.1控制系统模型 272
9.4.2时域分析 274
9.4.3根轨迹法 275
9.4.4频域分析 275
9.4.5离散系统中常用的MATLAB函数 276
9.5控制系统分析中常用的MATLAB命令和函数 277
9.6 MATLAB其他相关工具 279
参考文献 282