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第1章 自动控制系统的一般概念 1

1.1 自动控制与自动控制系统 1

1.2 自动控制的方式 2

1.2.1 开环控制系统与闭环控制系统 2

1.2.2　闭环控制系统的组成 8

1.3 自动控制系统的类型 9

1.3.1　按元件特性分类 9

1.3.2　按信号形式分类 10

1.3.3　按给定信号形式分类 10

1.4 对自动控制系统的基本要求 10

1.4.1 稳定性 11

1.4.2　快速性 12

1.4.3　准确性 13

本章小结 13

习题 14

第2章　控制系统的数学模型 17

2.1 线性系统微分方程 17

2.1.1 线性环节微分方程的建立 17

2.1.2　控制系统微分方程的建立 20

2.2　非线性系统的线性化 22

2.3 传递函数 25

2.3.1 传递函数 26

2.3.2　传递函数的性质 26

2.3.3　典型环节的传递函数 27

2.4 系统动态结构图 35

2.4.1 系统动态结构图的组成 35

2.4.2　系统动态结构图的绘制 36

2.4.3　系统动态结构图的等效变换 38

2.4.4　系统动态结构图变换举例 43

2.5　信号流图及梅森公式 45

2.5.1　信号流图的基本概念 46

2.5.2　信号流图的绘制 47

2.5.3　信号流图的简化 49

2.5.4　梅森公式 50

2.6 自动控制系统的传递函数 52

2.6.1　系统开环传递函数 53

2.6.2　系统闭环传递函数 53

2.6.3　系统误差传递函数 54

2.7 MATLAB中数学模型的表示 54

2.7.1　传递函数 55

2.7.2　控制系统的零极点模型 56

2.7.3　控制系统结构图模型 56

2.7.4　控制系统模型间的转换 58

本章小结 59

习题 60

第3章　线性控制系统的时域分析 65

3.1 线性控制系统时域响应的性能指标 65

3.1.1　典型初始状态 65

3.1.2　典型输入信号 66

3.1.3　动态过程与稳态过程 67

3.1.4　性能指标 68

3.2　线性系统的时域响应分析 69

3.2.1 一阶系统的时域响应 69

3.2.2　二阶系统的时域响应 72

3.2.3 高阶系统的时域响应 80

3.3　线性控制系统的代数稳定判据 81

3.3.1　稳定性的概念 81

3.3.2　稳定的充分必要条件 82

3.3.3　劳思稳定判据 83

3.3.4　赫尔维茨判据 85

3.3.5　相对稳定性和稳定裕量 86

3.3.6　结构不稳定及改善措施 87

3.4　线性控制系统的稳态误差 89

3.4.1 稳态误差的定义 89

3.4.2　稳态误差计算 90

3.4.3 系统类型 91

3.4.4 给定信号作用下的稳态误差分析 91

3.5 利用MATLAB进行时域分析 94

3.5.1 用MATLAB进行时域动态响应分析 94

3.5.2　用MATLAB求根并进行系统稳定性分析 97

3.5.3 用MATLAB进行系统稳态误差分析 98

本章小结 107

习题 107

第4章 线性控制系统的根轨迹分析 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 113

4.2　根轨迹的绘制法则 115

4.2.1 根轨迹的分支数与对称性 115

4.2.2　根轨迹的起点与终点 116

4.2.3　实轴上的根轨迹 116

4.2.4　根轨迹的渐近线 117

4.2.5　根轨迹的分离点与会合点 119

4.2.6　根轨迹的出射角和入射角 122

4.2.7　根轨迹与虚轴交点 124

4.2.8　根之和 126

4.3　广义根轨迹 131

4.3.1　参数根轨迹 131

4.3.2　零度根轨迹 133

4.3.3　非最小相位系统的根轨迹 135

4.4　用根轨迹法分析系统的性能 136

4.4.1 在根轨迹上确定闭环极点 136

4.4.2 用根轨迹法分析系统的暂态特性 137

4.4.3 增加开环零、极点对系统性能的影响 139

4.5 用MATLAB绘制根轨迹 142

4.5.1　绘制系统根轨迹 142

4.5.2　根轨迹分析 144

本章小结 149

习题 149

第5章　线性控制系统的频域分析 153

5.1 频率特性及其表示法 153

5.1.1　频率特性的基本概念 153

5.1.2　频率特性的图形表示法 156

5.2　典型环节对数频率特性曲线的绘制 158

5.2.1 比例环节 158

5.2.2　积分与微分环节 159

5.2.3　惯性环节 161

5.2.4　一阶微分环节 163

5.2.5　振荡环节 164

2.5.6　滞后环节 166

5.3 系统的开环对数频率特性 167

5.3.1　系统开环对数频率特性 167

5.3.2　最小相位系统与非最小相位系统 169

5.3.3 系统类型与对数幅频特性之间的关系 171

5.4　开环系统的幅相频率特性曲线 175

5.4.1 典型环节的幅相频率特性曲线 176

5.4.2　开环系统幅相频率特性曲线的一般画法 180

5.5　奈奎斯特稳定判据 184

5.5.1　预备知识 184

5.5.2　奈奎斯特稳定判据 186

5.5.3　对数稳定判据 192

5.6 系统的相对稳定性 195

5.6.1　相对稳定性的概念 195

5.6.2　相位裕量与幅值裕量 197

5.6.3 关于相位裕量和幅值裕量的几点说明 199

5.7　闭环频率特性 202

5.7.1 闭环频率特性 202

5.7.2　尼科尔斯图 205

5.8 频域指标与时域指标之间的关系 209

5.8.1 闭环频率特性指标与时域指标 210

5.8.2　开环频率特性与时域指标 212

5.9 MATLAB在系统频域分析中的应用 212

5.9.1 利用MATLAB绘制伯德图并求取稳定裕量 213

5.9.2　利用MATLAB绘制奈奎斯特图并验证奈奎斯特稳定判据 217

5.9.3 利用MATLAB绘制尼科尔斯图及进行闭环系统分析 219

本章小结 220

习题 221

第6章　控制系统的校正 226

6.1 校正的基本概念 226

6.1.1　频率法校正 226

6.1.2　校正方式 227

6.2 串联校正装置 229

6.2.1　无源校正网络 229

6.2.2　PID控制规律 234

6.3 基于频率法的串联校正设计 238

6.3.1 串联超前校正设计 238

6.3.2 串联滞后校正设计 242

6.3.3 串联滞后－超前校正 246

6.3.4 利用希望特性进行校正的设计方法 248

6.4 反馈校正 251

6.4.1 利用反馈校正改变局部环节的结构与参数 251

6.4.2 利用负反馈可以消除系统不可变部分中的不希望有的特性 252

6.4.3 利用反馈校正抑制一些严重扰动 253

6.5 前馈-反馈复合校正 255

6.5.1 对输入补偿的复合校正 255

6.5.2 对扰动补偿的复合校正 257

6.6 MATLAB在控制系统校正中的应用 259

本章小结 264

习题 264

第7章 线性离散系统分析 268

7.1 离散系统的基本概念 268

7.1.1 采样控制系统 269

7.1.2 计算机控制系统 269

7.1.3 离散控制系统 270

7.2 采样过程与采样定理 270

7.2.1 信号采样 270

7.2.2 采样定理 275

7.3 采样信号保持器 275

7.4 z变换理论 277

7.4.1 z变换的定义 277

7.4.2 求z变换的方法 278

7.4.3 z变换的性质 279

7.4.4 z逆变换 280

7.5 离散系统的数学模型 282

7.5.1 线性常系数差分方程 282

7.5.2 脉冲传递函数 284

7.5.3 结构图等效变换 286

7.6 离散系统的稳定性 293

7.6.1 s平面与z平面的映射关系 293

7.6.2 离散系统稳定的充分必要条件 294

7.6.3 离散系统稳定性判据 295

7.6.4 参数对稳定性的影响 296

7.7 离散系统的稳态误差 297

7.8 离散系统的动态性能分析 300

7.8.1 离散系统的时间响应 300

7.8.2 闭环极点与动态响应的关系 301

7.9 离散PID控制算法 304

7.10 用MATLAB进行离散系统分析 306

7.10.1 脉冲传递函数 306

7.10.2 时域响应 307

7.10.3 离散PID控制器 308

本章小结 311

习题 312

第8章 非线性系统分析 316

8.1 非线性系统概述 316

8.1.1 非线性系统的动态过程特点 317

8.1.2 典型非线性特性及其对系统性能的影响 319

8.2 非线性特性的描述函数 322

8.2.1 非线性特性的描述函数 322

8.2.2 典型非线性特性的描述函数 323

8.3 非线性系统的描述函数法 330

8.3.1 描述函数法 330

8.3.2 非线性系统的简化 330

8.3.3 非线性系统分析 333

8.3.4 描述函数法的应用 335

8.4 非线性特性的利用 338

8.4.1 非线性阻尼控制 338

8.4.2 非线性相角超前线路 339

8.4.3 非线性积分器 339

8.5 相平面法 341

8.5.1 相平面 341

8.5.2 相轨迹 341

8.5.3 相平面分析法 346

8.6 基于MATLAB/Simulink的非线性系统分析 350

8.6.1 死区非线性特性的死区折算 350

8.6.2 描述函数法应用 350

8.6.3 非线性特性的利用 355

8.6.4 相轨迹分析 357

本章小结 360

习题 360

附录 365

附录1 MATLAB简介 365

附录2 z变换表 372

附录3 部分习题答案 374

参考文献 391