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第1章 控制系统的基本概念1

1.1 引言1

1.2 开环控制系统与闭环控制系统2

1.2.1 开环控制系统2

1.2.2 闭环控制系统3

1.3 自动控制系统的组成4

1.3.1 基本组成部分4

1.3.2 自动控制系统中常用的名词术语5

1.4 自动控制系统的分类6

1.4.1 按输入信号的特点分类6

1.4.2 按描述系统的动态方程分类7

1.4.3 按系统的参数是否随时间而变化分类7

1.4.4 按信号的传递是否连续分类7

1.5 自动控制系统的应用实例8

1.5.1 炉温控制系统8

1.5.2 导弹发射架方位控制系统9

1.5.3 计算机控制系统10

1.6 自动控制理论发展简史10

1.7 对自动控制系统的基本要求12

习题14

第2章 自动控制系统的数学模型16

2.1 控制系统微分方程的建立17

2.1.1 机械系统17

2.1.2 电系统——RLC串联网络18

2.1.3 机电系统19

2.2 非线性系统微分方程的线性化20

2.2.1 小偏差线性化的概念20

2.2.2 非线性系统（元件）线性化处理举例21

2.2.3 系统线性化的条件及步骤23

2.3 传递函数24

2.3.1 传递函数的定义和性质24

2.3.2 用复数阻抗法求电网络的传递函数27

2.3.3 典型环节及其传递函数30

2.4 控制系统的结构图及其等效变换35

2.4.1 结构图的基本概念35

2.4.2 结构图的组成35

2.4.3 结构图的建立36

2.4.4 结构图的等效变换37

2.5 自动控制系统的传递函数43

2.5.1 系统的开环传递函数43

2.5.2 闭环系统的传递函数44

2.5.3 闭环系统的偏差传递函数45

2.6 信号流图46

2.6.1 信号流图的基本要素46

2.6.2 信号流图的常用术语46

2.6.3 信号流图的性质47

2.6.4 信号流图的等效变换法则47

2.6.5 梅逊公式49

2.7 脉冲响应函数51

2.8 控制系统数学模型的MATLAB实现51

2.8.1 MATLAB简介51

2.8.2 控制系统的数学模型53

2.8.3 应用举例55

习题57

MATLAB实验61

第3章 控制系统的时域分析法63

3.1 典型输入信号和时域性能指标63

3.1.1 典型输入信号63

3.1.2 动态过程与稳态过程66

3.1.3 时域性能指标66

3.2 一阶系统的动态性能68

3.2.1 一阶系统的时域数学模型68

3.2.2 一阶系统的重要特性72

3.3 二阶系统的动态性能72

3.3.1 数学模型的标准式72

3.3.2 典型二阶系统的单位阶跃响应73

3.3.3 典型二阶系统动态性能指标77

3.3.4 二阶系统性能的改善81

3.4 高阶系统的动态性能84

3.4.1 高阶系统的数学模型84

3.4.2 高阶系统的单位阶跃响应84

3.4.3 高阶系统的分析方法86

3.5 稳定性和代数稳定判据87

3.5.1 稳定的概念87

3.5.2 线性定常系统稳定的充分必要条件88

3.5.3 劳斯稳定判据89

3.5.4 劳斯稳定判据的应用90

3.6 系统稳态误差分析94

3.6.1 误差与稳态误差的定义95

3.6.2 控制系统的型别96

3.6.3 给定输入下的稳态误差96

3.6.4 扰动作用下的稳态误差99

3.6.5 改善系统稳态精度的方法101

3.7 控制系统时域分析的MATLAB应用102

3.7.1 基于Toolbox工具箱的时域分析102

3.7.2 Simulink104

习题108

MATLAB实验110

第4章 根轨迹法112

4.1 根轨迹的基本概念112

4.1.1 根轨迹概念112

4.1.2 根轨迹方程114

4.2 绘制根轨迹图的基本规则115

4.3 控制系统根轨迹的绘制125

4.3.1 单回路负反馈系统的根轨迹126

4.3.2 参数根轨迹130

4.3.3 多回路系统的根轨迹132

4.3.4 正反馈系统的根轨迹134

4.3.5 滞后系统的根轨迹136

4.4 控制系统的根轨迹分析138

4.4.1 闭环零、极点和时间响应139

4.4.2 增加开环零、极点对根轨迹和系统性能的影响143

4.4.3 条件稳定系统的分析145

4.5 应用MATLAB绘制系统的根轨迹146

4.5.1 绘制根轨迹的相关函数146

4.5.2 利用MATLAB绘制系统的根轨迹146

习题149

MATLAB实验151

第5章 频率特性法153

5.1 频率特性的基本概念154

5.1.1 频率响应154

5.1.2 频率特性155

5.1.3 由传递函数求取频率特性157

5.1.4 常用频率特性曲线159

5.2 幅相频率特性及其绘制159

5.2.1 幅相频率特性曲线（奈氏图）基本概念159

5.2.2 典型环节的幅相频率特性160

5.2.3 开环奈氏图的绘制166

5.3 对数频率特性及其绘制172

5.3.1 对数频率特性曲线基本概念172

5.3.2 典型环节的伯德图174

5.3.3 开环伯德图的绘制182

5.3.4 最小相位系统185

5.3.5 由实测伯德图求传递函数186

5.4 奈奎斯特稳定判据188

5.4.1 幅角原理188

5.4.2 奈奎斯特稳定判据189

5.4.3 简化奈奎斯特稳定判据194

5.4.4 奈奎斯特稳定判据在伯德图上的应用197

5.4.5 奈奎斯特稳定判据的其他应用199

5.5 控制系统的相对稳定性200

5.5.1 幅值穿越频率ωc与相位穿越频率ωg201

5.5.2 相位裕量202

5.5.3 幅值裕量202

5.5.4 系统的稳定裕量203

5.6 利用开环频率特性分析系统的性能204

5.6.1 开环对数幅频特性L（ω）低频段与系统性能的关系204

5.6.2 开环对数幅频特性L（ω）中频段与系统动态性能的关系206

5.6.3 开环对数幅频特性L（ω）高频段与系统性能的关系212

5.7 闭环系统频率特性213

5.7.1 闭环频域指标213

5.7.2 闭环频率特性的求取215

5.7.3 闭环频域指标与时域指标的关系222

5.8 MATLAB在频率特性法中的应用224

5.8.1 奈氏图的绘制224

5.8.2 伯德图的绘制225

5.8.3 尼柯尔斯图的绘制227

习题228

MATLAB实验231

第6章 控制系统的校正233

6.1 控制系统校正的基本概念233

6.1.1 控制系统的性能指标233

6.1.2 校正的一般概念与基本方法234

6.1.3 频率法校正236

6.1.4 其他设计方法237

6.2 控制系统的基本控制规律237

6.2.1 基本控制规律237

6.2.2 比例-微分控制239

6.2.3 比例-积分控制240

6.2.4 比例-积分-微分控制241

6.3 超前校正装置及其参数的确定242

6.3.1 相位超前校正装置及其特性242

6.3.2 系统超前校正的分析法设计245

6.3.3 小结248

6.4 滞后校正装置及其参数的确定249

6.4.1 相位滞后校正装置及其特性249

6.4.2 串联滞后校正装置的分析法设计253

6.4.3 小结256

6.5 滞后-超前校正装置及其参数的确定256

6.5.1 相位滞后-超前校正装置及其特性256

6.5.2 系统滞后-超前校正的分析法设计259

6.5.3 小结262

6.6 期望对数频率特性设计法264

6.6.1 期望法设计的基本概念264

6.6.2 常见系统的期望特性265

6.6.3 应用实例268

6.6.4 小结272

6.7 基于根轨迹法的串联校正273

6.7.1 根轨迹法校正的基本概念273

6.7.2 利用根轨迹法设计超前校正装置275

6.7.3 利用根轨迹法设计滞后校正装置277

6.7.4 利用根轨迹法设计滞后-超前校正装置280

6.8 反馈校正装置及其参数的确定281

6.8.1 反馈校正的基本概念281

6.8.2 反馈校正的设计方法283

6.8.3 常用反馈校正形式与功能287

6.8.4 小结289

6.9 控制系统校正的MATLAB应用290

6.9.1 MATLAB函数在控制系统校正中的应用290

6.9.2 基于Simulink的系统校正292

习题294

MATLAB实验296

第7章 非线性控制系统297

7.1 非线性系统的基本概念297

7.1.1 非线性系统的数学描述297

7.1.2 非线性特性的分类298

7.1.3 非线性系统的特点301

7.1.4 非线性系统的分析和设计方法302

7.2 二阶线性和非线性系统的相平面分析302

7.2.1 相平面、相轨迹和平衡点302

7.2.2 二阶线性系统的特征304

7.2.3 二阶非线性系统的特征306

7.3 非线性系统的相平面分析309

7.3.1 绘制相轨迹的方法309

7.3.2 相轨迹求系统暂态响应313

7.3.3 相轨迹分析非线性系统314

7.4 非线性特性的一种线性近似表示——描述函数320

7.4.1 描述函数的意义321

7.4.2 典型非线性特性的描述函数322

7.4.3 非线性系统的描述函数分析329

7.5 利用非线性特性改善线性系统的性能334

7.6 MATLAB在非线性控制系统中的应用337

7.6.1 利用MATLAB分析非线性系统的频率特性与时域响应338

7.6.2 利用MATLAB绘制非线性系统的相平面图340

习题341

MATLAB实验343

第8章 离散控制系统的分析和综合344

8.1 离散控制系统的基本概念344

8.1.1 离散控制系统的组成344

8.1.2 离散控制系统的特点347

8.1.3 离散控制系统的研究方法347

8.2 采样过程与采样定理347

8.2.1 采样过程347

8.2.2 采样定理350

8.2.3 零阶保持器351

8.3 z变换353

8.3.1 z变换的定义353

8.3.2 z变换的方法354

8.3.3 z变换的性质357

8.3.4 z反变换362

8.4 离散控制系统的数学模型367

8.4.1 脉冲传递函数367

8.4.2 开环系统的脉冲传递函数369

8.4.3 离散控制系统的闭环脉冲传递函数372

8.4.4 应用z变换分析离散系统的局限性与条件378

8.4.5 差分方程380

8.5 稳定性分析383

8.5.1 离散控制系统稳定的充分必要条件383

8.5.2 离散控制系统的劳斯稳定判据386

8.6 稳态误差分析388

8.6.1 离散系统的稳态误差388

8.6.2 离散系统的型别与典型输入信号作用下稳态误差389

8.7 离散系统的动态性能分析392

8.7.1 离散系统的时间响应393

8.7.2 闭环极点与动态响应的关系394

8.8 离散系统的数字校正397

8.8.1 数字控制器的脉冲传递函数398

8.8.2 最少拍系统设计401

8.9 MATLAB在离散控制系统中的应用405

8.9.1 利用Toolbox工具箱分析离散系统406

8.9.2 利用Simulink分析离散系统408

习题409

MATLAB实验412

附录A经典控制理论常用词汇中英文对照表414

附录B 控制系统分析中的MATLAB常用函数419

附录C拉普拉斯变换及有关性质423

参考文献426