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第1章 绪论1

1.1自动控制系统的一般概念1

1.2自动控制系统的分类4

1.2.1开环与闭环系统4

1.2.2定值、伺服与程序控制系统6

1.2.3线性与非线性控制系统6

1.2.4连续与离散控制系统7

1.3自动控制理论的发展概况8

1.4自动控制系统的性能要求9

本章小结10

习题10

第2章 控制系统的数学模型12

2.1列写系统微分方程式的一般方法12

2.1.1简单系统微分方程的建立13

2.1.2复杂系统微分方程的建立15

2.2非线性数学模型的线性化19

2.3传递函数22

2.3.1传递函数的定义22

2.3.2传递函数的基本性质25

2.3.3控制系统的典型环节及其传递函数26

2.4框图和系统的传递函数32

2.4.1框图的组成32

2.4.2系统框图的建立33

2.4.3框图的等效变换34

2.4.4自动控制系统的传递函数39

2.5信号流图和梅逊公式的应用42

2.5.1信号流图的术语和性质44

2.5.2梅逊增益公式45

2.6 Matlab在本章中的应用47

本章小结49

习题49

第3章 控制系统的时域分析法52

3.1控制系统的时域性能指标52

3.1.1典型输入信号52

3.1.2控制系统时域性能指标55

3.2一阶系统的时域响应57

3.2.1一阶系统的数学模型57

3.2.2一阶系统的单位阶跃响应58

3.2.3一阶系统的单位斜坡响应59

3.2.4一阶系统的单位脉冲响应60

3.2.5一阶系统的单位加速度响应60

3.3二阶系统的时域响应61

3.3.1二阶系统的数学模型62

3.3.2二阶系统的单位阶跃响应63

3.3.3欠阻尼二阶系统的动态过程分析68

3.3.4二阶系统的单位脉冲响应71

3.4高阶系统的时域响应72

3.5线性系统的稳定性分析74

3.5.1系统稳定的充要条件74

3.5.2劳斯-赫尔维茨判据75

3.5.3劳斯稳定判据76

3.5.4赫尔维兹判据80

3.6控制系统的稳态误差81

3.6.1稳态误差的定义82

3.6.2系统类型82

3.6.3扰动作用下的稳态误差87

3.6.4提高系统稳态精度的方法88

3.7 Matlab在本章中的应用88

3.7.1控制系统的传递函数88

3.7.2控制系统的时域响应91

本章小结97

习题97

第4章 控制系统的根轨迹法101

4.1根轨迹法的基本概念101

4.1.1根轨迹的概念101

4.1.2根轨迹与系统性能103

4.1.3根轨迹的幅值条件和相角条件103

4.1.4根轨迹增益与系统开环增益的关系105

4.2绘制根轨迹的基本法则106

4.3参量根轨迹的绘制120

4.4非最小相位系统的根轨迹123

4.4.1正反馈回路的根轨迹124

4.4.2含有非最小相位元件的系统的根轨迹125

4.4.3滞后系统的根轨迹126

4.5用根轨迹分析控制系统127

4.5.1用根轨迹确定系统的有关参数127

4.5.2指定K0时的闭环传递函数130

4.5.3确定具有指定阻尼比ξ的闭环极点和单位阶跃响应132

4.6 Matlab在本章中的应用133

本章小结138

习题139

第5章 控制系统的频率响应法143

5.1频率特性143

5.1.1频率特性的基本概念143

5.1.2由传递函数确定系统的频率响应145

5.2对数坐标图147

5.2.1典型因子的伯德图148

5.2.2绘制开环系统伯德图的一般步骤157

5.2.3最小相位系统与非最小相位系统159

5.2.4系统的类型与对数幅频特性曲线低频渐近线的对应关系161

5.3极坐标图163

5.3.1典型因子的乃氏图164

5.3.2极坐标图的一般形状168

5.4乃奎斯特稳定判据171

5.4.1幅角原理171

5.4.2乃奎斯特稳定判据介绍173

5.4.3乃氏判据应用于滞后系统180

5.5相对稳定性分析182

5.5.1增益裕量183

5.5.2相位裕量183

5.5.3相对稳定性与对数幅频特性中频段斜率的关系185

5.6频域性能指标与时域性能指标间的关系188

5.6.1闭环频率特性及其特征量188

5.6.2二阶系统时域响应与频域响应的关系190

5.7传递函数的实验确定194

5.8 Matlab在本章中的应用196

5.8.1用Matlab绘制伯德图196

5.8.2用Matlab绘制乃奎斯特图200

本章小结203

习题204

第6章 控制系统的校正208

6.1引言208

6.1.1被控对象208

6.1.2性能指标209

6.1.3系统校正210

6.2线性系统的基本控制规律212

6.2.1比例控制规律213

6.2.2比例-微分控制规律213

6.2.3积分控制规律214

6.2.4比例-积分控制规律214

6.2.5比例-积分-微分控制规律215

6.3串联校正216

6.3.1超前校正216

6.3.2滞后校正222

6.3.3滞后-超前校正228

6.4反馈校正233

6.4.1利用反馈校正改变局部结构和参数234

6.4.2利用反馈校正取代局部结构235

6.5复合校正237

6.5.1前馈校正与反馈控制组成的复合控制237

6.5.2扰动补偿校正与反馈控制组成的复合控制239

6.6 Matlab在本章中的应用239

本章小结248

习题249

第7章 非线性控制系统251

7.1非线性控制系统概述251

7.1.1研究非线性控制理论的意义251

7.1.2非线性系统的特征253

7.1.3非线性系统的分析与设计方法256

7.2常见非线性及其对系统运动的影响257

7.2.1非线性特性的等效增益257

7.2.2常见非线性因素对系统运动的影响259

7.3非线性元件的描述函数262

7.3.1描述函数的基本概念262

7.3.2非线性元件描述函数的举例264

7.3.3用描述函数法分析非线性控制系统270

7.4相平面分析法274

7.4.1相平面的基本概念274

7.4.2线性二阶系统的相轨迹276

7.4.3绘制相平面图的等倾斜线法277

7.4.4非线性系统的相平面分析280

7.5 Matlab在本章中的应用286

本章小结290

习题291

第8章 离散控制系统294

8.1引言294

8.2信号的采样与复现297

8.2.1采样过程297

8.2.2采样定理299

8.2.3零阶保持器301

8.3 z变换与z反变换302

8.3.1 z变换303

8.3.2 z变换的基本性质307

8.3.3 z反变换310

8.4脉冲传递函数312

8.4.1串联环节的脉冲传递函数314

8.4.2闭环系统的脉冲传递函数315

8.5差分方程320

8.5.1差分的定义320

8.5.2差分方程概述320

8.5.3用z变换法求解差分方程321

8.5.4用迭代法求解差分方程323

8.6离散控制系统的性能分析325

8.6.1离散控制系统的稳定性分析325

8.6.2闭环极点与瞬态响应的关系328

8.6.3离散系统的稳态误差332

8.7 Matlab在本章中的应用335

8.7.1利用Simulink分析和设计离散控制系统335

8.7.2利用控制系统工具箱分析和设计离散控制系统340

8.7.3利用SISO分析工具分析和设计离散控制系统341

本章小结342

习题342