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第1章 绪论 1

1.1开环控制和闭环控制 2

1.1.1开环控制 2

1.1.2闭环控制（反馈控制） 2

1.2自动控制系统的组成及术语 3

1.3自动控制系统的类型 4

1.3.1按信号流向划分 4

1.3.2按系统输入信号划分 4

1.3.3线性系统和非线性系统 5

1.3.4定常系统和时变系统 5

1.3.5连续系统和离散系统 5

1.3.6单输入单输出系统与多输入多输出系统 5

1.4自动控制系统性能的基本要求 6

1.5自动控制课程的主要任务 6

1.5.1阶跃函数 7

1.5.2斜坡函数（等速度函数） 7

1.5.3抛物线函数（等加速度函数） 7

1.5.4脉冲函数 7

1.5.5正弦函数 8

1.6自动控制系统实例 8

1.6.1造纸机分部传动控制系统 8

1.6.2谷物湿度控制系统 9

1.6.3烘烤炉温度控制系统 9

本章小结 9

本章典型题、考研题详解及习题 10

第2章 线性系统的数学模型 13

2.1线性系统的微分方程 13

2.2微分方程的线性化 17

2.3传递函数 19

2.3.1传递函数的概念 19

2.3.2传递函数的特点 20

2.3.3典型环节的传递函数 21

2.4方框图 25

2.4.1方框图 25

2.4.2系统方框图的构成 26

2.4.3环节间的连接 28

2.4.4方框图的变换和简化 30

2.5信号流图 32

2.5.1信号流图的定义 33

2.5.2系统的信号流图 33

2.5.3信号流图的定义和术语 34

2.5.4信号流图的性质 34

2.5.5信号流图的简化 34

2.5.6信号流图的增益公式 35

2.6 MATLAB中数学模型的表示 38

2.6.1传递函数 38

2.6.2传递函数的特征根及零、极点图 39

2.6.3控制系统的方框图模型 41

2.6.4控制系统的零、极点模型 42

2.6.5状态空间表达式 42

本章小结 43

本章典型题、考研题详解及习题 44

第3章 控制系统的时域分析 53

3.1线性定常系统的时域响应 53

3.2控制系统时域响应的性能指标 54

3.2.1稳态性能指标 54

3.2.2动态性能指标 54

3.3线性定常系统的稳定性 55

3.3.1稳定性的概念 55

3.3.2线性定常系统稳定的充分必要条件 55

3.3.3劳斯判据（Routh判据） 57

3.3.4赫尔维茨判据（Hurwitz判据） 60

3.3.5系统参数对稳定性的影响 61

3.3.6相对稳定性和稳定裕量 62

3.4系统的稳态误差 63

3.4.1误差及稳态误差的定义 63

3.4.2稳态误差分析 64

3.4.3稳态误差的计算 65

3.4.4应用静态误差系数计算给定信号作用下的稳态误差 66

3.4.5扰动信号作用下的稳态误差与系统结构的关系 69

3.4.6改善系统稳态精度的途径 69

3.4.7系统的动态误差系数 70

3.5一阶系统的时域响应 71

3.5.1数学模型 71

3.5.2单位阶跃响应 71

3.5.3性能指标 72

3.5.4一阶系统的单位脉冲响应 72

3.6二阶系统的时域响应 72

3.6.1二阶系统的数学模型 72

3.6.2二阶系统的单位阶跃响应 73

3.6.3二阶系统的单位脉冲响应 77

3.7高阶系统的瞬态响应 79

3.7.1高阶系统的瞬态响应 79

3.7.2高阶系统的降阶 80

3.7.3零、极点对阶跃响应的影响 81

3.8用MATLAB和Simulink进行瞬态响应分析 83

3.8.1单位脉冲响应 83

3.8.2单位阶跃响应 83

3.8.3斜坡响应 84

3.8.4任意函数作用下系统的响应 85

3.8.5由系统传递函数求系统的响应 86

3.8.6系统阶跃响应的性能指标 87

3.8.7 Simulink建模与仿真 88

本章小结 92

本章典型题、考研题详解及习题 92

第4章 根轨迹法 102

4.1根轨迹的基本概念 102

4.1.1根轨迹 102

4.1.2根轨迹的基本条件 103

4.2绘制根轨迹的基本规则 104

4.3根轨迹绘制举例 111

4.4广义根轨迹 113

4.4.1参数根轨迹 113

4.4.2多参数根轨迹簇 114

4.4.3正反馈系统的根轨迹（零度根轨迹） 115

4.5根轨迹分析系统的性能 117

4.5.1根轨迹确定系统的闭环极点 117

4.5.2根轨迹分析系统的动态特性 118

4.5.3开环零点对根轨迹的影响 119

4.5.4开环极点对根轨迹的影响 120

4.6 MATLAB绘制系统的根轨迹 121

本章小结 125

本章典型题、考研题详解及习题 126

第5章 控制系统的频域分析 134

5.1频率特性 134

5.1.1频率特性概述 134

5.1.2频率特性的求取 136

5.1.3频域性能指标 137

5.2典型环节的频率特性 137

5.2.1概述 137

5.2.2典型环节的频率特性 139

5.3系统的开环频率特性 146

5.3.1系统的开环对数频率特性 146

5.3.2系统开环极坐标图（奈氏图） 149

5.3.3最小相位和非最小相位系统 151

5.4奈奎斯特稳定判据 153

5.4.1映射定理 154

5.4.2 Nyquist轨迹及其映射 155

5.4.3 Nyquist稳定判据一 157

5.4.4 Nyquist稳定判据二 158

5.4.5 Nyquist对数稳定判据 159

5.5控制系统的相对稳定性 160

5.5.1增益裕量 161

5.5.2相角裕量 162

5.5.3用幅相频率特性曲线分析系统稳定性 164

5.6闭环系统的频率特性 164

5.6.1等M圆（等幅值轨迹） 165

5.6.2等N圆（等相角轨迹） 165

5.6.3利用等M圆和等N圆求单位反馈系统的闭环频率特性 166

5.6.4非单位反馈系统的闭环频率特性 167

5.7用频率特性分析系统品质 167

5.7.1闭环频域性能指标与时域性能指标的关系 167

5.7.2开环频率特性与时域响应的关系 169

5.8 MATLAB频域特性分析 171

5.8.1 Bode图 172

5.8.2 Nyquist图 172

5.8.3 Nichols图 175

本章小结 175

本章典型题、考研题详解及习题 176

第6章 控制系统的设计与校正 184

6.1概述 184

6.1.1系统的性能指标 184

6.1.2系统的校正 186

6.2线性系统的基本控制规律 187

6.2.1比例（P）控制作用 188

6.2.2比例-微分（PD）控制作用 188

6.2.3积分（Ⅰ）控制作用 190

6.2.4比例-积分-微分（PID）控制作用 191

6.3校正装置及其特性 193

6.3.1无源超前校正装置 193

6.3.2无源滞后校正装置 194

6.3.3无源滞后-超前校正装置 195

6.4采用根轨迹法进行串联校正 197

6.4.1串联超前校正 197

6.4.2串联滞后校正 199

6.4.3滞后-超前校正 201

6.5频率法进行串联校正 202

6.5.1频率法的串联超前校正 202

6.5.2频率法的串联滞后校正 204

6.5.3频率法的串联滞后-超前校正 206

6.5.4按期望特性对系统进行串联校正 209

6.6反馈校正 211

6.6.1比例负反馈校正 211

6.6.2微分负反馈校正 211

6.6.3反馈校正的设计 212

6.7复合校正 214

6.7.1反馈控制与前馈校正的复合控制 214

6.7.2反馈控制与扰动补偿校正的复合控制 215

6.8基于MATLAB和Simulink的线性控制系统设计 216

6.8.1相位超前校正 216

6.8.2相位滞后校正 217

6.8.3 Simulink下的系统设计和校正 218

本章小结 221

本章典型题、考研题详解及习题 221

第7章 非线性系统分析 230

7.1非线性系统概述 230

7.1.1非线性系统的特点 230

7.1.2非线性系统的分析和设计方法 232

7.2典型非线性特性 232

7.3相平面分析法 234

7.3.1相平面的基本概念 234

7.3.2线性系统的相轨迹 236

7.3.3二阶非线性系统的线性化 237

7.3.4相轨迹图的绘制 239

7.3.5由相轨迹图求时间 241

7.3.6非线性系统的相平面分析 242

7.4描述函数法 246

7.4.1描述函数的定义 246

7.4.2典型非线性环节的描述函数 247

7.4.3非线性系统的简化 251

7.4.4描述函数分析法 252

7.5基于Simulink的非线性系统分析 255

7.5.1非线性系统的特点 256

7.5.2非线性系统的响应 256

7.5.3非线性系统的相轨迹 257

本章小结 258

本章典型题、考研题详解及习题 258

第8章 采样控制系统 268

8.1概述 268

8.2采样过程与采样定理 270

8.3采样信号保持器 272

8.3.1零阶保持器 272

8.3.2一阶保持器 273

8.4 Z变换 274

8.4.1 Z变换定义 274

8.4.2 Z变换方法 275

8.4.3 Z变换性质 277

8.4.4 Z反变换 279

8.5采样系统的数学模型 281

8.5.1线性定常差分方程 281

8.5.2差分方程求解 282

8.5.3脉冲传递函数（Z传递函数） 283

8.6采样系统的稳定性分析 288

8.6.1采样系统的稳定条件 288

8.6.2劳斯稳定判据 289

8.6.3朱利稳定判据 291

8.6.4采样周期与开环增益对稳定性的影响 292

8.7采样系统的稳态误差 293

8.7.1单位阶跃输入时的稳态误差 294

8.7.2单位斜坡输入时的稳态误差 294

8.7.3单位加速度输入时的稳态误差 294

8.8采样系统的暂态响应与脉冲传递函数零、极点分布的关系 295

8.9采样系统的校正 298

8.9.1数字控制器的脉冲传递函数 298

8.9.2最少拍系统的脉冲传递函数 299

8.9.3求取数字控制器的脉冲传递函数 301

8.9.4关于闭环脉冲传递函数Ф（z）或Фe（z）的讨论 302

8.10 MATLAB在采样系统中的应用 305

8.10.1连续系统的离散化 305

8.10.2求采样系统的响应 305

8.10.3采样系统的最少拍设计 307

本章小结 308

本章典型题、考研题详解及习题 308

附录A常用函数的拉普拉斯变换表 314

附录B常用函数的Z变换表 316

附录C控制理论术语中英文对照 317

参考文献 330