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第1章 自动控制系统导论1

1.1引言1

1.1.1自动控制概念1

1.1.2自动控制技术应用1

1.1.3自动控制系统的基本控制方式2

1.2反馈控制原理与示例3

1.2.1反馈控制原理3

1.2.2开环控制与反馈控制系统示例5

1.2.3反馈控制系统的基本组成8

1.3自动控制发展简史10

1.4自动控制系统的分类11

1.4.1线性连续控制系统11

1.4.2线性定常离散控制系统12

1.4.3非线性控制系统12

1.5对自动控制系统的基本要求13

1.5.1基本要求13

1.5.2典型外作用14

1.6控制系统设计概述及设计实例15

1.6.1控制系统设计概论15

1.6.2设计示例1：胰岛素注射控制系统16

1.6.3设计示例2：磁盘驱动读取系统17

习题118

第2章 自动控制系统的数学模型21

2.1引言21

2.2自动控制系统时域数学模型的建立21

2.2.1自动控制元件运动方程的建立21

2.2.2线性系统的基本特性24

2.2.3运动的模态24

2.3数学模型的线性化24

2.4传递函数26

2.4.1传递函数的定义和性质26

2.4.2传递函数的极点与零点28

2.5典型环节——传递函数的基本因子30

2.5.1比例环节G（s）=K30

2.5.2一阶惯性环节G（s）=1/（Ts+1）31

2.5.3理想微分环节G（s）=Ks32

2.5.4积分环节G（s）=K/s（其中K为常数）32

2.5.5二阶振荡环节G（s）=K/T2s2+2ξTs+1（0＜ξ＜133

2.6结构图及其等效变换34

2.6.1结构图的基本概念34

2.6.2结构图的绘制35

2.6.3结构图等效变换36

2.7信号流图及梅森增益公式39

2.7.1信号流图的基本概念39

2.7.2梅森增益公式40

2.7.3信号流图的绘制42

2.8开环传递函数与闭环传递函数45

2.8.1开环传递函数45

2.8.2闭环传递函数45

2.9设计示例：磁盘驱动读取系统46

2.10控制系统在MATLAB中的描述及部分分式展开48

2.10.1控制系统在MATLAB中的描述48

2.10.2部分分式展开49

习题250

第3章 自动控制系统的时域分析54

3.1引言54

3.2线性系统的稳定性分析55

3.2.1稳定性定义55

3.2.2系统稳定的充分必要条件55

3.3劳斯稳定性判据57

3.3.1劳斯稳定性判据57

3.3.2应用劳斯判据确定系统参数59

3.4过渡过程的基本概念61

3.4.1过渡过程定义61

3.4.2单位阶跃响应及其性能指标62

3.5一阶系统的时域分析63

3.5.1一阶系统的单位阶跃响应63

3.5.2一阶系统的单位脉冲响应64

3.5.3一阶系统的单位斜坡响应64

3.5.4一阶系统的单位加速度响应65

3.6典型二阶系统的时域分析65

3.6.1二阶系统的数学模型65

3.6.2二阶系统的单位阶跃响应66

3.6.3二阶系统的瞬态响应指标69

3.7第三个极点和零点对二阶系统响应的影响73

3.7.1第三个极点对二阶系统响应的影响73

3.7.2附加零点对典型二阶系统单位阶跃响应的影响73

3.7.3小结75

3.8高阶系统的单位阶跃响应75

3.8.1单位阶跃响应表达式75

3.8.2主导极点和等效二阶系统77

3.9线性系统的稳态误差分析79

3.9.1引言79

3.9.2误差与稳态误差79

3.9.3三种标准测试输入信号下的稳态误差80

3.9.4动态误差系数83

3.9.5扰动作用下的稳态误差85

3.9.6减小或消除稳态误差的措施87

3.10设计实例90

3.10.1磁盘驱动读取系统90

3.10.2磁盘驱动读取系统（续）92

3.10.3英吉利海峡海底隧道钻机93

3.10.4火星漫游车转向控制95

3.11用MATLAB进行系统的时域分析97

习题399

第4章 根轨迹法104

4.1引言104

4.2根轨迹的基本概念104

4.2.1二阶系统的根轨迹104

4.2.2辐角条件和幅值条件105

4.3根轨迹绘制的基本法则107

4.4根轨迹草图绘制举例117

4.5参量根轨迹122

4.6增加极点或零点对根轨迹的影响124

4.7设计实例125

4.8应用MATLAB绘制分析根轨迹127

习题4128

第5章 频域分析法130

5.1引言130

5.2频率特性的基本概念130

5.2.1频率特性的基本概念130

5.2.2频率特性的几何表示法132

5.3典型环节的频率特性134

5.3.1比例环节的频率特性134

5.3.2积分环节的频率特性134

5.3.3微分环节的频率特性136

5.3.4惯性环节的频率特性136

5.3.5一阶微分环节的频率特性138

5.3.6振荡环节的频率特性138

5.3.7不稳定惯性环节的频率特性142

5.3.8延时环节的频率特性142

5.4开环系统的频率特性144

5.4.1最小相位与非最小相位系统144

5.4.2开环幅相频率特性作图法145

5.4.3开环系统的对数频率特性曲线148

5.4.4传递函数的频域实验确定150

5.5奈奎斯特稳定性判据152

5.5.1引言152

5.5.2辐角原理153

5.5.3奈奎斯特稳定性判据155

5.5.4开环系统含有积分环节时奈氏判据的推广157

5.5.5对数频率稳定性判据159

5.6稳定裕度161

5.7控制系统频率特性与过渡过程的关系164

5.7.1控制系统的频带宽度164

5.7.2二阶闭环系统的频域指标与时域指标的关系165

5.7.3开环频域指标和时域指标的关系167

5.7.4闭环系统频域指标和开环频域指标的转换170

5.8设计实例171

5.9控制系统频域响应分析中的MATLAB指令174

5.9.1频率响应的计算方法174

5.9.2频率响应曲线绘制174

习题5176

第6章 控制系统校正179

6.1引言179

6.1.1控制系统校正的基本概念179

6.1.2控制系统设计方法180

6.2频率法校正的基本概念181

6.2.1频率法校正原理181

6.2.2系统频域指标182

6.2.3期望的开环频率特性182

6.3常用校正装置及其特性189

6.3.1无源超前网络189

6.3.2无源滞后网络191

6.3.3无源滞后-超前网络192

6.4串联校正193

6.4.1串联超前校正193

6.4.2串联滞后校正198

6.4.3串联滞后-超前校正201

6.4.4基于综合法的串联滞后-超前校正204

6.5标准传递函数法207

6.5.1按ITAE准则确定标准传递函数207

6.5.2按巴特沃斯滤波器确定标准传递函数208

6.5.3最小节拍响应确定标准传递函数211

6.5.4标准传递函数法综合串联校正装置举例213

6.6反馈校正213

6.6.1反馈校正的一般特性213

6.6.2比例反馈包围惯性环节214

6.6.3微分反馈包围积分环节和惯性环节相串联的元件214

6.6.4微分反馈包围振荡环节214

6.6.5一阶微分和二阶微分反馈包围由积分环节和振荡环节相串联组成的元件215

6.7 PID控制器215

6.7.1 PID控制器简介215

6.7.2确定PID参数几种方法简介217

6.8复合校正221

6.8.1按扰动补偿的复合校正221

6.8.2按输入补偿的复合校正222

6.9设计实例224

习题6226

第7章 非线性系统230

7.1概述230

7.1.1研究非线性控制理论的意义230

7.1.2非线性系统的特点230

7.1.3常见非线性特性231

7.1.4非线性系统的分析方法232

7.2描述函数法233

7.2.1描述函数的基本概念233

7.2.2描述函数计算举例235

7.3描述函数分析241

7.3.1非线性系统的稳定性分析241

7.3.2自激振荡的稳定性242

习题7246

第8章 线性离散系统分析249

8.1离散控制系统的基本概念249

8.2信号的采样与保持251

8.2.1采样过程及其数学描述251

8.2.2采样定理253

8.2.3信号的复现256

8.3 Z变换理论258

8.3.1 Z变换的定义258

8.3.2 Z变换的求法259

8.3.3 Z变换的性质263

8.3.4 Z反变换266

8.4离散系统的数学模型267

8.4.1线性常系数差分方程及其解法267

8.4.2脉冲传递函数269

8.5离散系统的稳定性与稳态误差275

8.5.1离散系统稳定的充要条件275

8.5.2离散系统的稳定性判据277

8.5.3离散系统的稳态误差279

8.6离散系统的时域响应282

8.7应用MATLAB分析离散系统284

习题8287

附录A拉氏变换与反变换290

参考文献299