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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

2.3线性系统的传递函数 32

2.3.1线性常系数微分方程的求解 32

2.3.2传递函数的定义和实际意义 34

2.3.3传递函数的性质及微观结构 36

2.4典型环节及其传递函数 42

2.5系统的结构图 48

2.5.1结构图的定义及基本组成 48

2.5.2结构图的绘制步骤 50

2.5.3结构图的基本连接形式 53

2.5.4结构图的等效变换 56

2.5.5结构图的简化 56

2.6信号流图及梅逊公式 60

2.6.1信号流图的基本概念 60

2.6.2信号流图的绘制方法 62

2.6.3梅逊增益公式 64

2.7例题精解 68

学习指导与小结 76

习题 78

第3章 时域分析法 83

3.1典型输入信号和时域性能指标 83

3.1.1典型输入信号 83

3.1.2阶跃响应性能指标 86

3.2一阶系统时域分析 87

3.2.1一阶系统的单位阶跃响应 87

3.2.2一阶系统的单位脉冲响应 89

3.2.3一阶系统的单位斜坡响应 89

3.3典型二阶系统时域分析 90

3.3.1典型二阶系统的单位阶跃响应 90

3.3.2欠阻尼二阶系统暂态性能指标估算 96

3.3.3过阻尼二阶系统暂态性能指标估算 98

3.3.4二阶系统的单位脉冲响应 100

3.3.5二阶系统的单位斜坡响应 101

3.4高阶系统分析 102

3.4.1高阶系统的单位阶跃响应 102

3.4.2闭环零、极点对系统性能的影响 103

3.4.3闭环主导极点 103

3.5控制系统的稳定性分析 105

3.5.1稳定性的概念及线性系统稳定的充要条件 105

3.5.2劳斯稳定判据 107

3.5.3两种特殊情况 108

3.5.4劳斯稳定判据在系统分析中的应用 110

3.6控制系统的稳态误差分析 112

3.6.1稳态误差的定义及一般计算公式 112

3.6.2控制系统的类型 114

3.6.3给定信号作用下的稳态误差分析 114

3.6.4扰动信号作用下的稳态误差分析 118

3.7 PID基本控制作用对系统性能的影响 120

3.7.1比例（P）控制 120

3.7.2比例加微分（PD）控制 122

3.7.3积分（1）控制 129

3.7.4比例加积分（PI）控制 130

3.7.5比例加积分加微分（PID）控制 134

3.8例题精解 136

学习指导与小结 147

习题 150

第4章 根轨迹法 153

4.1根轨迹 153

4.1.1根轨迹的基本概念 153

4.1.2根轨迹与系统性能 154

4.1.3根轨迹方程 155

4.2绘制根轨迹的基本法则 157

4.2.1绘制根轨迹的基本法则 157

4.2.2闭环极点的确定 165

4.3广义根轨迹 166

4.3.1零度根轨迹 166

4.3.2参变量根轨迹 168

4.3.3增加开环零极点对根轨迹的影响 170

4.4例题精解 171

学习指导与小结 179

习题 180

第5章 线性系统的频域分析法 182

5.1频率特性 182

5.1.1基本概念 182

5.1.2频率特性的定义 184

5.1.3频率特性的几何表示法 185

5.2典型环节的频率特性 186

5.3控制系统的开环频率特性 194

5.3.1开环极坐标图 194

5.3.2开环伯德图 198

5.3.3最小相位系统与非最小相位系统 199

5.4奈奎斯特稳定判据 201

5.4.1辅助函数 201

5.4.2幅角原理 202

5.4.3奈氏判据 203

5.4.4伯德图上的稳定性判据 210

5.5开环频域指标 211

5.5.1稳定裕度 211

5.5.2开环频域指标与时域性能指标的关系 214

5.5.3三频段与系统性能 217

5.6闭环频率特性 218

5.6.1闭环频率特性 218

5.6.2闭环频域指标与时域性能指标的关系 219

5.6.3闭环频域指标与开环频域指标的关系 220

5.7例题精解 221

学习指导与小结 228

习题 229

第6章 控制系统的校正 233

6.1校正的基本概念 233

6.1.1校正的定义 233

6.1.2校正方式 234

6.1.3设计方法 235

6.2典型校正装置 236

6.2.1典型无源超前校正网络 236

6.2.2典型无源滞后校正网络 237

6.2.3典型无源滞后—超前校正网络 238

6.2.4调节器 239

6.3频域法串联校正 241

6.3.1串联分析法 241

6.3.2串联综合法 249

6.3.3 PID调节器 251

6.4频域法反馈校正 261

6.5控制系统的复合校正 263

6.5.1按扰动补偿的复合校正 263

6.5.2按输入补偿的复合校正 265

6.6例题精解 266

学习指导与小结 275

习题 276

第7章 非线性系统 279

7.1典型非线性特性 279

7.1.1典型非线性特性的种类 279

7.1.2非线性系统的若干特征 281

7.1.3非线性系统的分析方法 283

7.2描述函数法 283

7.2.1描述函数的定义 283

7.2.2描述函数的求法 286

7.2.3组合非线性特性的描述函数 288

7.2.4用描述函数法分析非线性系统 289

7.3相平面法 293

7.3.1相平面法的基本概念 293

7.3.2相平面图的绘制 293

7.3.3线性系统的相平面图 296

7.3.4奇点和奇线 298

7.3.5非线性系统的相平面法分析 302

7.4例题精解 306

学习指导与小结 315

习题 317

第8章 离散控制系统 320

8.1引言 320

8.1.1离散系统的基本概念 320

8.1.2离散系统的定义及常用术语 322

8.1.3离散系统的特点 324

8.2采样过程和采样定理 325

8.2.1采样过程的数学描述 325

8.2.2采样信号频谱分析 327

8.2.3采样定理 329

8.3信号恢复 330

8.3.1信号保持的基本原理 330

8.3.2零阶保持器 331

8.4 Z变换 334

8.4.1 Z变换的定义 334

8.4.2 Z变换的求法 335

8.4.3 Z变换的性质 337

8.4.4 Z反变换 343

8.5离散系统的数学模型 345

8.5.1差分方程 345

8.5.2脉冲传递函数 350

8.5.3离散系统结构图与脉冲传递函数 354

8.5.4两种数学模型之间的相互转换 362

8.6离散系统的时域分析 363

8.6.1s平面与z平面的映射关系 363

8.6.2离散系统的动态性能分析 365

8.6.3离散系统的稳定性分析 371

8.6.4离散系统的稳态误差 374

8.7离散系统的数字校正 377

8.7.1数字控制器的脉冲传递函数 378

8.7.2最少拍系统及其设计 380

8.8例题精解 392

学习指导与小结 400

习题 403

第9章 控制系统的MATLAB仿真与模拟实验 408

9.1 MATLAB简介 408

9.1.1 MATLAB的安装 408

9.1.2 MATLAB工作界面 409

9.1.3 MATLAB命令窗口 410

9.2 MATLAB基本操作命令 411

9.2.1简单矩阵的输入 411

9.2.2复数矩阵输入 412

9.2.3 MATLAB语句和变量 412

9.2.4语句以“%”开始和以分号“；”结束的特殊效用 413

9.2.5工作空间信息的获取、退出和保存 413

9.2.6常数与算术运算符 413

9.2.7 MATLAB图形窗口 413

9.2.8 MATLAB编程指南 414

9.3 MATLAB在控制系统中的应用 415

9.3.1用MATLAB建立传递函数模型 415

9.3.2用MATLAB求系统的零点、极点及特征多项式 419

9.3.3用MATLAB绘制二维图形 422

9.3.4用MATLAB分析控制系统性能 425

9.4 Simulink方法建模与仿真 441

9.5自动控制理论模拟实验与Simulink仿真 444

实验一 典型环节及阶跃响应测试 445

实验二 系统频率特性测量 451

实验三 连续系统的频率法串联校正 456

附录1 拉普拉斯（Laplace）变换 462

附录2 MATLAB常用命令 470

参考文献 472