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第1章 自动控制的基本概念 1

1.1引言 1

1.2自动控制的基本知识 2

1.2.1自动控制问题的提出 2

1.2.2自动控制的定义及基本职能元件 3

1.2.3自动控制中的一些术语及方框图 4

1.3自动控制系统的基本控制方式 5

1.3.1开环控制 5

1.3.2闭环控制 7

1.3.3开环系统与闭环系统的比较 8

1.4自动控制系统的分类及基本组成 9

1.4.1按给定信号的特征分类 9

1.4.2按系统的数学描述分类 10

1.4.3按信号传递的连续性分类 11

1.4.4按系统的输入与输出信号的数量分类 12

1.4.5自动控制系统的基本组成 13

1.5对控制系统的要求和分析设计 14

1.5.1对系统的要求 14

1.5.2控制系统的分析与设计 16

1.6自动控制理论的发展概况 17

1.6.1早期的自动控制工作 17

1.6.2经典控制理论 17

1.6.3现代控制理论 19

1.7例题精解 19

学习指导与小结 21

习题 23

第2章 控制系统的数学模型 25

2.1引言 25

2.1.1系统数学模型的特点 25

2.1.2数学模型的类型 26

2.1.3系统数学模型的建模原则 26

2.2系统微分方程的建立 26

2.2.1列写微分方程式的一般步骤 27

2.2.2机械系统举例 27

2.2.3电路系统举例 28

2.2.4实际物理系统线性微分方程的一般特征 29

2.2.5电枢控制直流电动机 30

2.2.6复杂系统微分方程的列写 32

2.3非线性数学模型线性化 33

2.3.1小偏差线性化的概念 34

2.3.2线性化的意义及常用方法 34

2.3.3系统线性化的条件及步骤 36

2.3.4关于线性化的几点说明 39

2.4线性系统的传递函数 40

2.4.1线性常系数微分方程的求解 40

2.4.2传递函数的定义和实际意义 41

2.4.3传递函数的性质及微观结构 43

2.5典型环节及其传递函数 48

2.6系统的结构图 54

2.6.1结构图的定义及基本组成 54

2.6.2结构图的绘制步骤 55

2.6.3结构图的基本连接形式 56

2.6.4结构图的等效变换 59

2.6.5结构图的简化 60

2.7信号流图及梅逊公式 62

2.7.1信号流图的基本概念 62

2.7.2信号流图的绘制方法 64

2.7.3梅逊增益公式 66

2.8例题精解 70

学习指导与小结 80

习题 82

第3章 时域分析法 87

3.1典型输入信号和时域性能指标 87

3.1.1典型输入信号 87

3.1.2阶跃响应性能指标 89

3.2一阶系统时域分析 91

3.2.1一阶系统的单位阶跃响应 91

3.2.2一阶系统的单位脉冲响应 92

3.2.3一阶系统的单位斜坡响应 93

3.3典型二阶系统时域分析 93

3.3.1典型二阶系统的单位阶跃响应 94

3.3.2欠阻尼二阶系统暂态性能指标估算 99

3.3.3二阶系统的单位脉冲响应 102

3.3.4二阶系统的单位斜坡响应 103

3.3.5二阶系统性能的改善 104

3.4高阶系统分析 107

3.4.1高阶系统的单位阶跃响应 107

3.4.2闭环零、极点对系统性能的影响 108

3.4.3闭环主导极点 109

3.5控制系统的稳定性分析 110

3.5.1稳定性的概念及线性系统稳定的充要条件 110

3.5.2劳斯稳定判据 111

3.5.3两种特殊情况 113

3.5.4劳斯稳定判据在系统分析中的应用 114

3.6控制系统的稳态误差分析 116

3.6.1稳态误差的定义及一般计算公式 116

3.6.2控制系统的类型 117

3.6.3给定信号作用下的稳态误差分析 117

3.6.4扰动信号作用下的稳态误差分析 121

3.7例题精解 122

学习指导与小结 129

习题 131

第4章 根轨迹法 134

4.1根轨迹 134

4.1.1根轨迹的基本概念 134

4.1.2根轨迹与系统性能 135

4.1.3根轨迹方程 136

4.2绘制根轨迹的基本法则 137

4.2.1绘制根轨迹的基本法则 138

4.2.2闭环极点的确定 146

4.3广义根轨迹 147

4.3.1零度根轨迹 147

4.3.2参变量根轨迹 149

4.3.3增加开环零极点对根轨迹的影响 151

4.4例题精解 152

学习指导与小结 160

习题 161

第5章 线性系统的频率响应法 163

5.1频率特性 163

5.1.1基本概念 163

5.1.2频率特性的定义 165

5.1.3频率特性的几何表示法 166

5.2典型环节的频率特性 167

5.3控制系统的开环频率特性 175

5.3.1开环极坐标图 175

5.3.2开环伯德图 179

5.3.3最小相位系统与非最小相位系统 181

5.4奈奎斯特稳定判据 183

5.4.1辅助函数 183

5.4.2幅角原理 184

5.4.3奈氏判据 184

5.4.4伯德图上的稳定性判据 190

5.5开环频域指标 192

5.5.1稳定裕度 192

5.5.2开环频域指标与时域性能指标的关系 194

5.6闭环频率特性 197

5.6.1闭环频率特性 197

5.6.2闭环频域指标与时域性能指标的关系 197

5.6.3闭环频域指标与开环频域指标的关系 199

5.7例题精解 199

学习指导与小结 205

习题 206

第6章 控制系统的校正 210

6.1校正的基本概念 210

6.1.1校正的定义 210

6.1.2校正方式 211

6.1.3设计方法 212

6.2典型校正装置 213

6.2.1典型无源超前校正网络 213

6.2.2典型无源滞后校正网络 214

6.2.3典型无源滞后—超前校正网络 215

6.2.4调节器 216

6.3频率法串联校正 218

6.3.1串联超前校正 218

6.3.2串联滞后校正 221

6.3.3串联无源滞后—超前校正 224

6.3.4串联综合法 224

6.3.5 PID调节器 226

6.4频率法反馈校正 229

6.5控制系统的复合校正 232

6.5.1按扰动补偿的复合校正 232

6.5.2按输入补偿的复合校正 234

6.6例题精解 235

学习指导与小结 243

习题 244

第7章 非线性系统 248

7.1典型非线性特性 248

7.1.1典型非线性特性的种类 248

7.1.2非线性系统的若干特征 250

7.1.3非线性系统的分析方法 252

7.2描述函数法 252

7.2.1描述函数的定义 252

7.2.2描述函数的求法 253

7.2.3组合非线性特性的描述函数 256

7.2.4用描述函数法分析非线性系统 257

7.3相平面法 260

7.3.1相平面法的基本概念 261

7.3.2相平面图的绘制 261

7.3.3线性系统的相平面图 263

7.3.4奇点和奇线 266

7.3.5非线性系统的相平面法分析 270

7.4例题精解 274

学习指导与小结 283

习题 284

第8章 离散控制系统 288

8.1引言 288

8.1.1离散系统的基本概念 288

8.1.2离散系统的定义及常用术语 290

8.1.3离散系统的特点 292

8.2采样过程和采样定理 293

8.2.1采样过程的数学描述 293

8.2.2采样信号频谱分析 295

8.2.3采样定理 297

8.3信号恢复 298

8.3.1信号保持的基本原理 298

8.3.2零阶保持器 299

8.4 Z变换 301

8.4.1 Z变换的定义 302

8.4.2 Z变换的求法 302

8.4.3 Z变换的性质 305

8.4.4 Z反变换 310

8.5离散系统的数学模型 312

8.5.1差分方程 313

8.5.2脉冲传递函数 317

8.5.3离散系统结构图与脉冲传递函数 321

8.5.4两种数学模型之间的相互转换 329

8.6离散系统的时域分析 330

8.6.1s平面与z平面的映射关系 331

8.6.2离散系统的动态性能分析 332

8.6.3离散系统的稳定性分析 338

8.6.4离散系统的稳态误差 341

8.7离散系统的数字校正 344

8.7.1数字控制器的脉冲传递函数 345

8.7.2最少拍系统及其设计 347

8.8例题精解 358

学习指导与小结 366

习题 370

第9章 控制系统的MATLAB仿真与模拟实验 374

9.1 MATLAB简介 374

9.1.1 MATLAB的安装 374

9.1.2 MATLAB工作界面 375

9.1.3 MATLAB命令窗口 376

9.2 MATLAB基本操作命令 377

9.2.1简单矩阵的输入 377

9.2.2复数矩阵输入 378

9.2.3 MATLAB语句和变量 378

9.2.4语句以“％”开始和以分号“；”结束的特殊效用 379

9.2.5工作空间信息的获取、退出和保存 379

9.2.6常数与算术运算符 379

9.2.7 MATLAB图形窗口 380

9.2.8 MATLAB编程指南 380

9.3 MATLAB在控制系统中的应用 381

9.3.1用MATLAB建立传递函数模型 381

9.3.2用MATLAB求系统的零点、极点及特征多项式 385

9.3.3用MATLAB绘制二维图形 387

9.3.4用MATLAB分析控制系统性能 391

9.4 Simulink方法建模与仿真 407

9.5自动控制理论模拟实验与Simulink仿真 410

实验一 典型环节与阶跃响应测试 411

实验二 系统频率特性测量 417

实验三 连续系统的频率法串联校正 422

附录1 拉普拉斯（Laplace）变换 428

附录2 MATLAB常用命令 436

参考文献 438