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第1章 控制系统的一般概念 1

1．1 引言 1

1．2 控制科学与控制论、系统论、信息论 2

1．3 自动控制的发展 2

1．4 自动控制系统的分类和组成 4

1．4．1 自动控制的有关概念 4

1．4．2 自动控制系统的分类 4

1．4．3 开环控制系统与闭环控制系统 4

1．4．4 恒值控制系统和伺服系统 5

1．5 闭环控制系统的基本组成 7

1．6 现代控制系统实例 8

1．7 对控制系统的基本要求 11

1．8 典型输入信号或者激励信号 12

习题 15

第2章 控制系统的数学模型 17

2．1 控制系统的微分方程 17

2．1．1 控制系统微分方程的建立 17

2．1．2 非线性系统的线性近似 19

2．2 拉普拉斯变换 23

2．2．1 拉普拉斯变换的定义 23

2．2．2 拉普拉斯变换的常用定理 24

2．2．3 拉普拉斯反变换 26

2．2．4 利用拉普拉斯变换法求解微分方程 28

2．3 控制系统的传递函数 29

2．3．1 传递函数 29

2．3．2 常用控制元件的传递函数 31

2．4 控制系统的结构图与信号流图 33

2．4．1 控制系统的结构图 33

2．4．2 控制系统的信号流图 37

2．4．3 闭环系统的常用传递函数 39

2．5 典型控制系统的数学模型 40

习题 43

第3章 线性连续系统的时域分析 48

3．1 控制系统的时域响应和时域性能指标 48

3．1．1 控制系统的时域响应 48

3．1．2 控制系统的时域性能指标 48

3．2 线性系统的动态性能分析 49

3．2．1 一阶系统的动态性能分析 49

3．2．2 二阶系统的动态性能分析 52

3．2．3 高阶系统的动态性能近似分析 62

3．3 线性系统的稳定性分析 65

3．3．1 系统稳定性的基本概念 65

3．3．2 线性定常系统稳定的充要条件 66

3．3．3 劳斯稳定判据 67

3．4 线性系统的稳态性能分析 73

3．4．1 误差及稳态误差 73

3．4．2 系统的稳态误差分析 75

3．4．3 减小或消除稳态误差的方法 80

3．5 PID控制器设计 83

3．5．1 PID控制原理及形式 83

3．5．2 PID参数整定方法 86

3．6 基于可视化软件平台的伺服控制系统设计 91

习题 92

第4章 根轨迹法 99

4．1 根轨迹法的基本概念 99

4．1．1 根轨迹的基本概念 99

4．1．2 根轨迹与系统性能关系分析 100

4．1．3 根轨迹方程 101

4．2 绘制根轨迹的一般方法 102

4．2．1 常规根轨迹 102

4．2．2 参数根轨迹 111

4．3 根轨迹法设计实例 112

4．4 基于可视化软件平台的飞机纵向通道控制系统设计 116

习题 116

第5章 频率响应法 118

5．1 控制系统的频率响应 118

5．1．1 频率特性的基本概念 118

5．1．2 频率响应的计算方法 121

5．1．3 频率特性的几何表示方法 123

5．2 开环极坐标图 123

5．2．1 典型环节的极坐标图 124

5．2．2 开环传递函数的极坐标图绘制 127

5．2．3 用MATLAB绘制极坐标图 129

5．3 开环Bode图 130

5．3．1 典型环节的Bode图 131

5．3．2 开环传递函数的Bode图绘制 136

5．3．3 用MATLAB绘制系统的Bode图 140

5．3．4 最小相角和非最小相角系统 141

5．4 频域稳定判据 143

5．4．1 Nyquist稳定判据的数学基础 144

5．4．2 对数频域稳定判据 149

5．4．3 频域稳定裕度 150

5．4．4 用MATLAB分析系统稳定性 153

5．5 频域性能指标 154

5．6 校正补偿及设计 158

5．6．1 典型补偿环节 158

5．6．2 补偿设计实例 159

5．7 基于可视化软件平台的磁悬浮控制系统设计 164

习题 164

第6章 线性离散系统分析 170

6．1 离散系统的基本概念 170

6．1．1 采样控制系统 170

6．1．2 数字控制系统 171

6．1．3 离散控制系统的特点 172

6．2 信号采样与保持 172

6．2．1 信号采样 172

6．2．2 零阶保持器 173

6．3 z变换理论 174

6．3．1 z变换定义 174

6．3．2 z变换方法 174

6．3．3 z变换的基本性质 176

6．3．4 z反变换 176

6．4 离散系统的数学模型 177

6．4．1 线性常系数差分方程及其解法 177

6．4．2 脉冲传递函数 179

6．4．3 开环系统脉冲传递函数 180

6．4．4 闭环系统脉冲传递函数 182

6．5离散系统的性能分析 183

6．5．1 稳定性分析 183

6．5．2 离散系统的稳态误差 186

习越 187

第7章 非线性控制系统分析 189

7．1 引言 189

7．2 非线性控制系统概述 189

7．2．1 非线性系统的特点 189

7．2．2 非线性系统的分析与设计方法 192

7．3 常见非线性特性及其对系统性能的影响 192

7．4 描述函数法 198

7．4．1 描述函数的基本概念 198

7．4．2 典型非线性特性描述函数 199

7．4．3 非线性系统的简化 204

7．4．4 描述函数法进行非线性系统分析 207

7．5 非线性控制系统仿真实例 210

习题 213

第8章 现代控制系统案例分析 215

8．1 磁悬浮球控制系统 215

8．1．1 磁悬浮球系统的结构和工作机理 215

8．1．2 磁悬浮球的数学模型 215

8．1．3 磁悬浮球的PID控制 216

8．2 水平轨道式倒立摆控制系统 218

8．2．1 系统的结构和工作机理 218

8．2．2 一级倒立摆的数学模型及PID控制 218

8．2．3 倒立摆计算机控制系统 220

8．3 玻璃窑炉控制系统 221

8．3．1 玻璃窑炉的结构与工作原理 221

8．3．2 玻璃窑炉的温度控制 222

8．4 飞行控制系统 225

8．4．1 作用在飞机上的力与力矩 226

8．4．2 飞行控制系统的组成 228

8．4．3 俯仰角姿态飞行控制系统的分析与设计 229

附录1 MATLAB 7.4.0简介 234

附录2 自动控制可视化软件平台简介 237

参考文献 240