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前言1

第1章 绪论1

1．1 机械工程控制理论研究的对象与任务2

1．2 系统的基本概念2

1．2．1 自动控制系统工作原理2

1．2．2 系统的分类5

1．2．3 反馈控制系统的基本组成6

1．2．4 名词术语7

1．3 对控制系统的基本要求8

1．4 本课程的特点及学习方法8

习题9

第2章 系统的数学模型10

2．1 引言10

2．1．1 系统的数学模型10

2．1．2 线性系统10

2．1．3 非线性系统11

2．2 线性微分方程式的建立12

2．2．1 建立线性微分方程式的步骤12

2．2．2 举例12

2．3 非线性系统的线性化15

2．4 拉普拉斯变换18

2．4．1 拉普拉斯变换的定义18

2．4．2 拉氏变换的主要定理21

2．4．3 拉普拉斯反变换24

2．4．4 用拉氏变换解常系数线性微分方程28

2．5 传递函数28

2．5．1 传递函数的概念28

2．5．2 典型环节的传递函数29

2．6 方块图及其应用34

2．6．1 方块图单元、相加点和分支点34

2．6．2 方块图基本连接方式35

2．6．3 绘制系统方块图的方法37

2．6．4 方块图的变换法则38

2．6．5 系统传递函数的求法39

2．7 信号流程图及梅逊公式41

2．7．1 信号流程图41

2．7．2 定义41

2．7．3 系统信号流程图的画法42

2．7．4 梅逊公式43

2．8 利用MATLAB语言进行部分分式展开44

习题46

第3章 时间特性分析法49

3．1 时间响应与典型输入信号49

3．1．1 时间响应的概念49

3．1．2 典型输入信号50

3．1．3 瞬态响应的性能指标51

3．2 一阶系统的瞬态响应52

3．2．1 一阶系统的数学模型52

3．2．2 一阶系统的单位阶跃响应53

3．2．3 一阶系统的单位斜坡响应54

3．2．4 一阶系统的单位脉冲响应54

3．3 二阶系统的瞬态响应56

3．3．1 二阶系统的数学模型56

3．3．2 二阶系统的阶跃响应56

3．3．3 二阶系统的单位斜坡响应59

3．3．4 二阶系统的单位脉冲响应59

3．3．5 二阶系统阶跃响应与极点的关系61

3．3．6 二阶系统瞬态响应的性能指标计算62

3．4 高阶系统的瞬态响应67

3．5 时间特性的计算机求解69

习题74

第4章 频率特性分析法76

4．1 频率特性的基本概念76

4．1．1 频率特性及其物理意义76

4．1．2 频率特性的求法79

4．2 频率特性表示法81

4．2．1 极坐标图（奈奎斯特图）81

4．2．2 伯德图（Bode图81

4．2．3 增益相位图（尼科尔斯图）82

4．3 典型环节的频率特性82

4．3．1 比例环节的频率特性82

4．3．2 积分环节的频率特性83

4．3．3 理想微分环节的频率特性85

4．3．4 惯性环节的频率特性86

4．3．5 一阶微分环节的频率特性89

4．3．6 二阶振荡环节的频率特性90

4．3．7 二阶微分环节的频率特性94

4．4 控制系统开环伯德图和最小相位系统95

4．4．1 控制系统开环伯德图95

4．4．2 最小相位系统97

4．5 闭环频率特性98

4．5．1 由开环频率特性估计闭环频率特性98

4．5．2 闭环系统频率特性的性能指标100

4．6 由实测频率特性曲线确定系统传递函数101

4．6．1 频率特性实验分析的步骤101

4．6．2 由伯德图确定系统的传递函数101

4．7 用MATLAB语言计算频率特性104

4．7．1 极坐标图（奈奎斯特图104

4．7．2 数频率特性图（伯德图105

4．7．3 对数幅相频率特性图（尼科尔斯图）106

习题107

第5章 根轨迹法109

5．1 绘制根轨迹的基本条件109

5．1．1 基本分析109

5．1．2 绘制根轨迹的基本条件110

5．2 以K1为参数变量的根轨迹的绘制111

5．2．1 根轨迹的起点112

5．2．2 根轨迹的终点113

5．2．3 根轨迹的对称性113

5．2．4 根轨迹的渐近线114

5．2．5 实轴上的根轨迹115

5．2．6 根轨迹的出射角和入射角115

5．2．7 根轨迹的分离点与会合点116

5．2．8 根轨迹与虚轴的交点（此节可在学完第6章之后学习）119

5．3 增加开环零极点对根轨迹的影响121

5．3．1 增加零点的影响121

5．3．2 增加极点的影响123

5．4 利用MATLAB语言绘制系统的根轨迹124

习题125

第6章 控制系统的稳定性分析126

6．1 控制系统稳定性的基本概念126

6．1．1 稳定性概念126

6．1．2 系统稳定的条件126

6．2 劳斯稳定判据128

6．2．1 劳斯稳定判据的必要条件128

6．2．2 劳斯稳定判据的充要条件129

6．2．3 劳斯判据的特殊情况131

6．3 奈奎斯特稳定判据133

6．3．1 奈奎斯特稳定判据简介133

6．3．2 稳定裕度136

6．3．3 伯德图判据138

6．4 用MATLAB语言分析稳定性140

6．4．1 代数稳定判断140

6．4．2 用伯德图法判断系统稳定性141

习题142

第7章 控制系统的误差分析与计算145

7．1 控制系统的稳态误差概念145

7．2 输入引起的稳态误差146

7．2．1 误差传递函数与稳态误差146

7．2．2 静态误差系数147

7．2．3 其他输入信号时的误差150

7．3 存在扰动时的稳态误差150

7．4 减小稳态误差的方法153

7．5 利用MATLAB语言计算系统的稳态误差155

习题158

第8章 系统的设计与校正160

8．1 系统的性能指标及校正方式160

8．1．1 控制系统的性能指标分类160

8．1．2 时域指标和频域指标的对应关系160

8．1．3 系统设计的一般原则164

8．1．4 设计方法165

8．2 调整增益的校正166

8．3 串联超前校正167

8．3．1 串联超前校正的应用场合与校正效果167

8．3．2 串联超前校正装置168

8．3．3 利用伯德图进行串联超前校正169

8．4 串联滞后校正174

8．4．1 串联滞后校正应用场合与校正结果174

8．4．2 串联滞后校正装置174

8．4．3 应用举例175

8．5 滞后-超前校正179

8．5．1 串联滞后-超前校正应用场合与校正结果179

8．5．2 串联滞后-超前校正装置179

8．5．3 利用伯德图进行串联滞后-超前校正180

8．5．4 应用举例181

8．6 反馈校正184

8．6．1 反馈的作用184

8．6．2 串联校正与反馈校正的比较185

习题186

第9章 计算机采样控制系统188

9．1 引言188

9．2 信号的采样与保持190

9．2．1 采样过程190

9．2．2 采样定理191

9．2．3 采样信号的保持192

9．3 z变换和z反变换194

9．3．1 z变换的定义194

9．3．2 z变换方法195

9．3．3 z变换的基本定理196

9．3．4 z反变换196

9．4 采样控制系统的数学模型198

9．4．1 脉冲传递函数的定义与求解198

9．4．2 开环采样系统的脉冲传递函数199

9．5 采样控制系统的性能分析203

9．5．1 采样控制系统的稳定性分析203

9．5．2 采样系统极点分布与瞬态响应的关系204

9．5．3 采样系统的稳态误差205

9．6 用MATLAB语言设计数字控制系统207

习题209

部分习题参考答案211

参考文献219