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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 运动与过程控制系统4

1.2.2 定值、随动与程序控制系统5

1.2.3 开环与闭环控制系统5

1.2.4 连续与离散控制系统7

1.2.5 线性与非线性控制系统8

1.3 自动控制理论的发展概况9

1.4 自动控制系统的性能要求12

本章小结14

习题14

第2章 控制系统的数学模型16

2.1 列写系统微分方程的一般方法17

2.1.1 简单系统微分方程的建立17

2.1.2 复杂系统微分方程的建立21

2.2 非线性数学模型的线性化24

2.3 传递函数28

2.3.1 传递函数的定义28

2.3.2 传递函数的基本性质30

2.3.3 控制系统的典型环节及其传递函数32

2.4 框图和系统的传递函数36

2.4.1 框图的组成37

2.4.2 系统框图的建立37

2.4.3 框图的等效变换39

2.4.4 利用框图求取系统的传递函数43

2.5 信号流图和梅逊公式的应用47

2.5.1 信号流图的概念47

2.5.2 信号流图的术语和性质48

2.5.3 信号流图的简化法则49

2.5.4 梅逊增益公式及其应用50

2.6 MATLAB在本章中的应用54

本章小结56

习题57

第3章 控制系统的时域分析法60

3.1 控制系统的时域性能指标60

3.1.1 典型输入信号60

3.1.2 控制系统的时域性能指标64

3.2 一阶系统的时域分析66

3.2.1 一阶系统的数学模型66

3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应67

3.2.3 一阶系统的单位斜坡响应68

3.2.4 一阶系统的单位抛物线响应69

3.2.5 一阶系统的单位脉冲响应69

3.3 二阶系统的时域分析70

3.3.1 二阶系统的数学模型70

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应72

3.3.3 欠阻尼二阶系统的性能分析76

3.3.4 二阶系统的单位脉冲响应81

3.3.5 二阶工程最佳参数82

3.4 高阶系统的时域分析83

3.4.1 高阶系统的单位阶跃响应84

3.4.2 闭环主导极点85

3.5 线性系统的稳定性分析86

3.5.1 稳定性的基本概念86

3.5.2 线性系统稳定的充分必要条件87

3.5.3 线性系统稳定的必要条件89

3.5.4 劳斯稳定判据89

3.5.5 赫尔维兹稳定判据92

3.5.6 劳斯判据的应用94

3.6 控制系统的稳态误差计算95

3.6.1 稳态误差的定义96

3.6.2 系统类型数97

3.6.3 参考输入作用下的稳态误差97

3.6.4 扰动作用下的稳态误差101

3.6.5 提高系统稳态精度的方法102

3.7 MATLAB在本章中的应用103

3.7.1 单位脉冲响应和单位阶跃响应103

3.7.2 单位斜坡响应104

3.7.3 任意函数作用下系统的响应106

3.7.4 Simulink中时域分析举例107

本章小结108

习题108

第4章 控制系统的根轨迹法111

4.1 根轨迹的基本概念111

4.1.1 根轨迹的概念111

4.1.2 根轨迹与系统性能112

4.1.3 根轨迹的幅值条件和相角条件113

4.1.4 系统根轨迹增益与开环增益的关系115

4.2 绘制根轨迹的基本规则116

4.3 广义根轨迹的绘制131

4.3.1 参量根轨迹131

4.3.2 零度根轨迹134

4.4 用根轨迹法分析闭环控制系统的性能138

4.4.1 用根轨迹分析系统的稳定性138

4.4.2 用根轨迹分析系统的动态性能139

4.4.3 用根轨迹分析系统的稳态性能141

4.4.4 附加开环零、极点的作用144

4.5 MATLAB在本章中的应用146

本章小结150

习题150

第5章 控制系统的频域分析法155

5.1 频率特性155

5.1.1 频率特性的基本概念155

5.1.2 由传递函数确定系统的频域响应158

5.2 对数坐标图160

5.2.1 典型因子的伯德图161

5.2.2 绘制开环系统伯德图的一般步骤170

5.2.3 最小相位系统与非最小相位系统172

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174

5.3 极坐标图176

5.3.1 典型因子的乃奎斯特图177

5.3.2 极坐标图的一般形状182

5.4 频域稳定判据186

5.4.1 幅角原理186

5.4.2 乃奎斯特稳定判据187

5.4.3 乃氏判据应用于滞后系统197

5.5 相对稳定性分析199

5.5.1 增益裕量200

5.5.2 相位裕量200

5.5.3 相对稳定性与对数幅频特性中频段斜率的关系203

5.6 频域性能指标与时域性能指标间的关系205

5.6.1 闭环频率特性及其特征量205

5.6.2 二阶系统时域响应与频域响应的关系208

5.7 传递函数的实验确定211

5.8 MATLAB在本章中的应用213

5.8.1 利用MATLAB绘制伯德图213

5.8.2 利用MATLAB绘制乃奎斯特图218

本章小结220

习题221

第6章 控制系统的校正225

6.1 控制系统的校正问题225

6.1.1 被控对象226

6.1.2 性能指标226

6.1.3 系统带宽的确定228

6.1.4 系统校正方式229

6.2 线性系统的基本控制规律230

6.2.1 比例控制规律230

6.2.2 比例-微分控制规律231

6.2.3 积分控制规律231

6.2.4 比例-积分控制规律232

6.2.5 比例-积分-微分控制规律232

6.3 串联校正234

6.3.1 超前校正234

6.3.2 滞后校正240

6.3.3 滞后-超前校正247

6.4 反馈校正254

6.4.1 利用反馈校正改变局部结构和参数255

6.4.2 利用反馈校正取代局部结构257

6.5 复合校正258

6.5.1 前馈校正与反馈控制组成的复合控制258

6.5.2 扰动补偿校正与反馈控制组成的复合控制260

6.6 MATLAB在本章中的应用261

本章小结269

习题270

第7章 非线性控制系统分析272

7.1 非线性控制系统概述272

7.1.1 研究非线性控制理论的意义272

7.1.2 非线性系统的特征274

7.1.3 非线性系统的分析与设计方法277

7.2 常见非线性及其对系统运动的影响278

7.2.1 非线性特性的等效增益279

7.2.2 常见非线性因素对系统运动的影响280

7.3 非线性系统的描述函数分析283

7.3.1 描述函数的基本概念284

7.3.2 非线性元件描述函数的举例285

7.3.3 用描述函数法分析非线性控制系统290

7.4 相平面法294

7.4.1 相平面的基本概念295

7.4.2 线性二阶系统的相轨迹296

7.4.3 绘制相平面图的等倾斜线法298

7.4.4 非线性系统的相平面分析301

7.5 MATLAB在本章中的应用306

本章小结309

习题309

第8章 计算机控制系统的分析与设计312

8.1 离散控制系统的概念312

8.2 信号的采样与复现315

8.2.1 采样过程315

8.2.2 采样定理317

8.2.3 零阶保持器319

8.3 z变换与z反变换321

8.3.1 z变换321

8.3.2 z变换的基本性质325

8.3.3 z反变换328

8.4 脉冲传递函数330

8.4.1 串联环节的脉冲传递函数332

8.4.2 闭环系统的脉冲传递函数334

8.5 差分方程338

8.5.1 差分的定义338

8.5.2 差分方程概述338

8.5.3 用z变换法求解差分方程339

8.5.4 用迭代法求解差分方程341

8.6 离散控制系统的性能分析343

8.6.1 离散控制系统的稳定性分析343

8.6.2 闭环极点与瞬态响应的关系346

8.6.3 离散系统的稳态误差348

8.7 数字控制器的设计351

8.7.1 数字控制器的模拟化设计351

8.7.2 数字PID控制器358

8.7.3 数字控制器的直接设计360

8.8 MATLAB在本章中的应用365

8.8.1 利用Simulink分析和设计离散控制系统365

8.8.2 利用MATLAB函数分析和设计离散控制系统368

8.8.3 利用SISO分析工具分析和设计离散控制系统369

本章小结370

习题370

参考文献374