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第1章 引论1

1.1　计算机控制系统的基本概念1

1.1.1 计算机控制系统1

1.1.2 控制系统的分类1

1.1.3 计算机控制系统的分类8

1.1.4 计算机控制系统实现中的实际问题12

1.2　计算机控制系统的研究内容和对系统的基本要求14

1.2.1 计算机控制系统的研究内容14

1.2.2 对计算机控制系统的基本要求15

1.3　历史回顾16

1.4　计算机集成制造系统20

习题21

第2章　线性连续控制系统22

2.1 引言22

2.1.1 单输入单输出控制系统22

2.1.2 常用输入信号23

2.2　拉普拉斯变换27

2.2.1 拉普拉斯变换的定义28

2.2.2 拉普拉斯变换定理30

2.2.3 拉普拉斯逆变换36

2.2.4 用拉普拉斯变换法解线性常系数微分方程45

2.3　物理系统的数学模型46

2.3.1 线性元件的微分方程47

2.3.2 随动系统的微分方程51

2.4　传递函数和方框图52

2.4.1 传递函数和微分方程53

2.4.2 电子网络的传递函数53

2.4.3 简单方框图的传递函数55

2.4.4 方框图简化59

2.5　传递函数和信号流图66

2.5.1 信号流图定义66

2.5.2　梅逊增益公式67

2.6　控制系统的时域分析71

2.6.1 脉冲响应和阶跃响应71

2.6.2 时域性能指标72

2.6.3 一阶系统的动态响应74

2.6.4 二阶系统的动态响应76

2.6.5 高阶系统分析86

2.6.6　稳态误差分析88

2.6.7 用MATLAB绘制单位阶跃响应和单位脉冲响应94

2.6.8　稳定性分析98

2.7　根轨迹106

2.7.1 根轨迹法106

2.7.2 根轨迹图的绘制108

2.7.3 用MATLAB绘制根轨迹图112

2.8　频率响应的概念116

2.8.1 频率响应法116

2.8.2 频率特性的图形表示119

2.8.3 典型环节的对数频率特性120

2.8.4 频域性能指标126

2.8.5 开环传递函数的频率特性129

2.8.6 时域和频域响应之间的关系138

2.8.7 用MATLAB进行频域分析140

2.9　复合控制系统146

2.9.1 对输入前馈补偿的复合控制系统146

2.9.2 对扰动前馈补偿的复合控制系统147

2.10　控制系统设计148

2.10.1 校正装置的结构148

2.10.2　校正装置的特性149

2.10.3　根轨迹校正155

2.10.4 频率校正160

习题168

第3章　非线性控制系统174

3.1　非线性数学模型的线性化174

3.2　控制系统中的典型非线性特性175

3.3　非线性系统的特性177

3.3.1 叠加原理不成立177

3.3.2　稳定性问题177

3.3.3　极限环（自激振荡）178

3.3.4 畸变现象178

3.4　非线性系统的分析方法178

3.4.1 描述函数法178

3.4.2 相平面法179

3.4.3 李雅普诺夫方法179

3.4.4　反馈线性化方法179

3.4.5　计算机仿真179

3.5　描述函数法179

3.5.1 描述函数法的基本概念179

3.5.2 典型非线性环节的描述函数181

3.5.3 用描述函数法分析非线性系统的稳定性183

3.6　相平面法186

3.6.1 相平面法的基本概念186

3.6.2　相轨迹的性质187

3.6.3 相轨迹图的绘制187

3.6.4 由相轨迹求时间信息188

3.6.5 非线性系统的相平面分析189

3.7 用MATLAB分析非线性系统189

3.7.1 用MATLAB进行描述函数法分析189

3.7.2 用MATLAB进行相平面分析194

习题196

第4章　线性离散时间系统198

4.1 引言198

4.2　差分方程201

4.3　采样定理203

4.3.1 采样过程及采样信号的频谱203

4.3.2　香农采样定理206

4.3.3　零阶保持器206

4.4 z变换209

4.4.1 z变换定义209

4.4.2 z变换定理211

4.4.3 z逆变换216

4.4.4 用z变换求解差分方程221

4.5　离散系统的传递函数和方框图223

4.5.1 离散传递函数与差分方程223

4.5.2 开环z传递函数227

4.5.3 闭环z传递函数230

4.5.4 离散系统的稳态误差237

4.6　离散系统的极点、零点和稳定性240

4.6.1 离散系统的极点与零点240

4.6.2 s平面到z平面的映射240

4.6.3 离散系统的稳定性242

4.6.4　双线性变换245

4.6.5 劳斯稳定性判据246

4.6.6 朱利稳定性判据248

4.7　离散系统的根轨迹251

4.7.1　根轨迹图252

4.7.2 z平面上的等阻尼比线254

4.8　离散系统的频率响应255

4.8.1 对数频率特性255

4.8.2　极坐标频率特性257

4.8.3 用MATLAB绘制离散系统的频率特性曲线258

4.9　利用Simulink对离散系统进行建模和仿真261

习题263

第5章　计算机控制系统设计267

5.1 引言267

5.1.1 滤波器的基本原理与设计267

5.1.2 计算机控制系统连续化设计方法280

5.1.3 计算机控制系统离散化设计方法283

5.2　有限拍控制284

5.2.1 有限拍控制系统设计284

5.2.2 有限拍无波纹控制系统298

5.2.3 有限拍设计的改进301

5.3　根轨迹法304

5.4　双线性变化法306

5.5　带纯滞后被控对象的控制系统设计312

5.5.1 大林算法313

5.5.2 史密斯预报器317

习题319

第6章　PID控制322

6.1 引言322

6.2　模拟和数字PID算法325

6.2.1 模拟PID算法325

6.2.2 数字PID算法326

6.3　数字PID的改进算法329

6.3.1 积分分离PID控制算法329

6.3.2 不完全微分PID控制算法329

6.3.3 带死区的PID控制算法332

6.4　模拟和数字PID参数整定333

6.4.1 模拟PID参数整定333

6.4.2 数字PID参数整定342

6.4.3 PID控制的自整定方法344

6.5 模拟和数字PDF和PDFF算法344

6.5.1 PDF算法345

6.5.2 PDFF算法346

6.5.3 PID、PDF和PDFF控制系统348

6.6 PDF和PDFF参数整定351

6.6.1 用标准滤波器进行参数整定351

6.6.2 被控对象为单积分352

6.6.3　被控对象为双积分353

习题355

第7章　可编程序控制器356

7.1　引言356

7.2　可编程序控制器的组成和工作原理358

7.2.1 可编程序控制器的组成358

7.2.2 可编程序控制器的工作原理359

7.3　可编程序控制器的编程方式360

7.3.1 可编程序控制器的编程语言360

7.3.2 梯形图的主要特点及编程元件361

7.3.3 可编程序控制器的指令及编程方法364

7.4　可编程序控制器通信与网络功能376

7.4.1 可编程序控制器的通信功能377

7.4.2 可编程序控制器网络377

习题378

第8章　状态空间法380

8.1 数学基础——矩阵380

8.1.1 向量及向量运算380

8.1.2　矩阵及矩阵运算381

8.2　状态空间法的基本概念391

8.3　连续系统的状态空间模型392

8.3.1 由微分方程建立状态空间模型392

8.3.2 多输入多输出系统的状态空间模型394

8.3.3 非线性定常系统与非线性时变系统的状态空间模型397

8.3.4　状态方程求解398

8.3.5 状态空间模型与传递函数之间的等效转换399

8.3.6 传递矩阵403

8.4　离散系统的状态空间模型404

8.4.1 由差分方程建立离散状态空间模型404

8.4.2 多输入多输出离散系统的状态空间模型408

8.4.3 离散状态方程的求解408

8.4.4 离散状态空间模型与z传递函数之间的等效转换409

8.4.5 z传递函数矩阵413

8.5　能控性和能观测性413

8.5.1 能控性和能观测性的基本概念414

8.5.2 连续系统能控性和能观测性判据414

8.5.3 离散系统能控性和能观测性判据415

8.5.4 对偶原理417

8.6　控制系统的状态空间设计418

8.6.1 连续系统的状态反馈控制器设计418

8.6.2 离散系统的状态反馈控制器设计430

习题443

附录　部分习题参考答案448

参考文献457