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第1章 绪论1

1.1 引言1

1.2 自动控制系统的构成1

1.3 闭环控制和开环控制3

1.4 控制系统的分类4

1.4.1 恒值调节系统和随动系统4

1.4.2 线性系统和非线性系统4

1.4.3 定常系统和时变系统5

1.4.4 连续系统和离散系统5

第2章 控制系统的数学描述7

2.1 引言7

2.2 列写输入—输出运动方程7

2.2.1 机械系统8

2.2.2 电路系统11

2.2.3 机电系统12

2.2.4 液位系统13

2.3 .传递函数与系统框图14

2.3.1 传递函数14

2.3.2 方框图15

2.3.3 典型环节的传递函数18

2.3.4 方框图化简22

2.4 信号流图与梅逊公式24

2.4.1 信号流图24

2.4.2 梅逊公式26

2.5 频率特性函数29

2.5.1 频率特性函数的定义29

2.5.2 频率特性的图示方法30

2.5.3 典型环节的频率特性34

2.5.4 复杂频率特性图的绘制41

2.6 状态空间模型47

2.6.1 状态47

2.6.2 状态空间48

2.6.3 状态方程和输出方程48

2.6.4 状态空间模型与输入—输出模型之间的关系53

2.7 采样控制系统的数学描述59

2.7.1 采样控制系统59

2.7.2 信号采样与恢复61

2.7.3 采样系统的差分方程描述64

2.7.4 Z变换66

2.7.5 脉冲传递函数71

2.7.6 离散系统的状态空间模型76

习题78

第3章 基于系统辨识的建模方法86

3.1 系统辨识的基本概念86

3.1.1 系统辨识问题86

3.1.2 系统辨识的任务及分类87

3.1.3 系统辨识的基本步骤87

3.2 最小二乘参数估计88

3.2.1 最小二乘法原理89

3.2.2 最小二乘估计的批处理算法91

3.2.3 最小二乘估计量的统计性质93

3.3 最小二乘参数估计的递推算法及其推广94

3.3.1 最小二乘估计的递推算法94

3.3.2 最小二乘估计的渐消记忆递推算法97

3.3.3 参数个数的递推99

3.4 系统建模的计算机仿真算法101

3.4.1 模型的阶次与阶次辨识101

3.4.2 损失函数检验法102

3.4.3 系统建模的计算机仿真算法步骤104

习题104

第4章 控制系统的稳定性分析106

4.1 稳定性的概念和定义106

4.2 线性系统稳定的充分必要条件110

4.2.1 状态空间模型110

4.2.2 输入—输出模型111

4.2.3 离散控制系统113

4.3 系统稳定性的代数判据115

4.3.1 连续系统稳定性的代数叛据及其应用115

4.3.2 离散系统稳定性的代数判据123

4.4 根轨迹图及系统稳定性分析128

4.4.1 根轨迹图的基本概念129

4.4.2 幅值条件和幅角条件130

4.4.3 绘制根轨迹的基本法则132

4.4.4 根轨迹图的绘制及系统稳定性分析141

4.5 奈奎斯特稳定性判据145

4.5.1 幅角定理145

4.5.2 奈奎斯特稳定性判据149

4.5.3 开环系统含有积分环节时判据的应用153

4.5.4 奈奎斯特稳定性判据在波德图中的表示形式156

4.5.5 稳定裕度157

4.6 利用MATLAB进行稳定性绘图分析161

习题164

第.5章. 控制系统的时域运动性能分析169

5.1 典型输入信号169

5.2 控制系统时域响应的求解171

5.2.1 利用传递函数求解输出响应172

5.2.2 利用Ｚ变换法求解差分方程的输出响应174

5.2.3 利用状态空间模型求解线性定常系统176

5.2.4 利用状态空间模型求解线性离散系统187

5.3 控制系统瞬态性能分析191

5.3.1 瞬态性能指标191

5.3.2 一阶系统瞬态性能分析193

5.3.3 典型二阶系统瞬态性能分析195

5.3.4 高阶系统瞬态性能分析212

5.4 控制系统稳态性能分析214

5.4.1 控制系统的误差与稳态误差214

5.4.2 误差的数学模型216

5.4.3 稳态误差分析与静态误差系数217

5.4.4 控制系统的动态误差223

5.4.5 扰动输入作用下的稳态误差227

5.4.6 减小或消除稳态误差的措施229

5.4.7 离散系统的稳态误差230

5.5 利用MATLAB进行时域分析234

5.5.1 MATLAB时域响应命令234

5.5.2 时域响应命令的应用236

5.5.3 SIMULINK仿真简介241

习题246

第6章 系统校正方法251

6.1 引言251

6.2 系统校正的根轨迹法253

6.2.1 增加零、极点对根轨迹的影响253

6.2.2 根轨迹校正举例255

6.2.3 校正装置的实现260

6.3 系统校正的频率响应法261

6.3.1 开环频率特性与时域性能指标间的关系261

6.3.2 频率特性法校正举例265

6.4.基本控制规律分析274

6.4.1 比例控制规律274

6.4.2 积分控制规律275

6.4.3 比例加积分控制规律276

6.4.4 比例加微分控制规律277

6.4.5 比例加积分加微分控制规律278

6.4.6 PID控制器的参数调整280

6.5 局部反馈校正281

6.6 离散系统的数学校正285

6.6.1 概述285

6.6.2 离散系统校正的根轨迹法285

6.6.3 离散系统校正的频域法286

6.6.4 离散系统的最少拍校正法288

习题294

第7章 线性控制系统的状态空间分析与综合297

7.1 特征值规范型297

7.1.1 对角线规范型297

7.1.2 约当规范型301

7.2 状态能控性305

7.2.1 状态能控性定义305

7.2.2 能控性判据307

7.3 状态能观性313

7.3.1 状态能观性定义313

7.3.2 能观性判据314

7.3.3 对偶原理317

7.4 离散系统的能控性和能观性317

7.5 控制系统的结构分解318

7.5.1 按能控性分解318

7.5.2 按能观性分解324

7.5.3 按能控性和能观性分解327

7.6 能控规范型和能观规范型329

7.6.1 能控规范型330

7.6.2 能观规范型331

7.7 状态反馈与输出反馈333

7.7.1 状态反馈和输出反馈的概念333

7.7.2 状态反馈和输出反馈对系统能控性和能观性的影响335

7.8 闭环系统的极点配置336

7.8.1 极点配置问题336

7.8.2 极点配置定理338

7.8.3 极点配置的阿克曼(Ackermann)公式342

7.8.4 基于输出反馈的极点配置344

7.8.5 镇定问题345

7.9 状态观测器设计348

7.9.1 全维状态观测器348

7.9.2 降维观测器352

7.10 带有状态观测器的反馈控制系统356

习题360

第8章 非线性控制系统365

8.1 概述365

8.2 描述函数法370

8.3 相平面法387

8.4 利用非线性特性改善系统的性能408

习题409

参考文献414