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1 绪论 1

1.1 概述 1

1.2 工程控制论的研究对象与任务 2

1.2.1 工程控制论的研究对象 2

1.2.2 工程控制论的研究任务 2

1.3 控制系统的基本概念、工作原理及基本组成 4

1.3.1 反馈的概念 4

1.3.2 控制系统的工作原理 5

1.3.3 反馈控制系统的基本组成 7

1.4 控制系统的分类及对控制系统的基本要求 8

1.4.1 控制系统的分类 8

1.4.2 对控制系统的基本要求 9

习题 10

2 控制系统的数学模型 12

2.1 系统的微分方程 12

2.1.1 概述 12

2.1.2 列写微分方程的一般方法 12

2.1.3 机械系统的微分方程 14

2.1.4 电气系统的微分方程 15

2.1.5 液压系统的微分方程 16

2.2 拉普拉斯变换的数学方法 17

2.2.1 拉氏变换的定义 17

2.2.2 拉氏变换定理 18

2.2.3 拉氏反变换的数学方法 20

2.2.4 用拉氏变换解常微分方程 22

2.3 传递函数 23

2.3.1 传递函数的定义和特点 23

2.3.2 传递函数的零点、极点和放大系数 24

2.3.3 典型环节的传递函数 25

2.3.4 相似系统 30

2.4 传递函数方框图及其简化 30

2.4.1 方框图的结构要素 31

2.4.2 环节的基本连接方式 31

2.4.3 方框图的变换 33

2.4.4 梅森公式 36

2.5 多输入反馈控制系统的传递函数 38

2.6 利用MATLAB建立系统数学模型 40

2.6.1 MATLAB中数学模型的表示 40

2.6.2 模型之间的转换 41

2.6.3 系统建模 41

2.6.4 进行部分分式展开 43

习题 44

3 控制系统的时域分析 47

3.1 概述 47

3.1.1 时间响应及其组成 47

3.1.2 典型输入信号 49

3.2 一阶系统的时间响应 50

3.2.1 典型一阶系统的数学模型 50

3.2.2 一阶系统的单位脉冲响应 50

3.2.3 一阶系统的单位阶跃响应 51

3.2.4 线性系统响应之间的关系 52

3.3 二阶系统的时间响应 52

3.3.1 典型二阶系统的数学模型 52

3.3.2 二阶系统的单位脉冲响应 53

3.3.3 二阶系统的单位阶跃响应 54

3.4 二阶系统瞬态响应性能指标 55

3.4.1 常用的性能指标 56

3.4.2 二阶系统性能指标计算举例 58

3.5 系统的误差分析与计算 60

3.5.1 系统的误差e（t）与偏差ε（t） 60

3.5.2 误差e（t）的一般计算 61

3.5.3 与输入有关的稳态偏差 62

3.5.4 与干扰有关的稳态偏差 64

3.6 利用MATLAB进行时域分析 66

3.6.1 用MATLAB求系统时间响应 66

3.6.2 利用MATLAB求系统的瞬态性能指标 67

习题 69

4 控制系统的频域分析 72

4.1 频率特性概述 72

4.1.1 频率特性的基本概念 72

4.1.2 频率特性的求法 74

4.1.3 频率特性的表示方法 75

4.2 频率特性的极坐标图（Nyquist图） 76

4.2.1 极坐标图的基本概念 76

4.2.2 典型环节极坐标图 76

4.2.3 绘制系统极坐标图的一般步骤 80

4.3 频率特性的对数坐标图（Bode图） 82

4.3.1 对数坐标图的基本概念 82

4.3.2 典型环节的对数坐标图 83

4.3.3 绘制系统对数坐标图的一般步骤 89

4.4 频率特性的特征量 90

4.5 最小相位系统的基本概念 92

4.6 系统辨识 93

4.6.1 系统辨识的一般方法 93

4.6.2 利用Bode图进行最小相位系统辨识 93

4.6.3 用Bode图对最小相位系统进行辨识的步骤 94

4.7 利用MATLAB进行频域分析 97

4.7.1 用MATLAB绘制Nyquist图和Bode图 97

4.7.2 利用MATLAB求系统的频域特征量 98

习题 100

5 控制系统的稳定性分析 102

5.1 概述 102

5.1.1 稳定的基本概念 102

5.1.2 判别系统稳定性的基本准则 103

5.1.3 确定系统稳定的方法 105

5.2 Routh（劳斯）稳定判据 106

5.2.1 Routh稳定判据的基本原理 106

5.2.2 Routh稳定判据的特殊情况 108

5.2.3 Routh稳定判据的应用 110

5.3 Nyquist（奈奎斯特）稳定判据 112

5.3.1 Nyquist稳定判据基础 112

5.3.2 应用Nyquist稳定判据的步骤 117

5.3.3 穿越的概念 119

5.4 Bode（伯德）稳定判据 119

5.4.1 Nyquist图与Bode图的对应关系 120

5.4.2 穿越的概念 120

5.4.3 Bode稳定判据的充要条件 121

5.5 系统的相对稳定性 121

5.5.1 相位裕量γ 122

5.5.2 幅值裕量Kg 122

5.6 利用MATLAB进行稳定性分析 123

5.6.1 利用MATLAB求系统的特征根 124

5.6.2 利用MATLAB分析系统的相对稳定性 124

习题 126

6 控制系统的校正与设计 129

6.1 控制系统的性能指标 130

6.1.1 时域性能指标 130

6.1.2 频域性能指标 131

6.1.3 综合性能指标（误差准则） 131

6.1.4 时域与频域性能指标之间的关系 131

6.2 控制系统校正的基本概念 132

6.2.1 校正的概念 132

6.2.2 校正的方式 133

6.3 控制系统的串联校正 134

6.3.1 增益调整 134

6.3.2 相位超前校正 135

6.3.3 相位滞后校正 139

6.3.4 相位滞后-超前校正环节 143

6.4 控制系统的反馈校正 147

6.4.1 位置（比例）反馈 148

6.4.2 速度（微分）反馈 149

6.5 控制系统的PID校正 149

6.5.1 PID控制规律 149

6.5.2 PID校正器的形式与作用 150

6.6 利用MATLAB设计控制系统的校正 153

习题 155

参考文献 156