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第1章 自动控制系统的基本概念1

1.1 引言1

1.1.1 自动控制的自然系统和人造系统1

1.1.2 自动控制理论发展简史2

1.1.3 自动控制中的常用术语4

1.2 开环控制系统和闭环控制系统4

1.2.1 开环控制系统4

1.2.2 闭环控制系统5

1.2.3 复合控制系统8

1.3 自动控制系统的基本构成8

1.4 自动控制系统的分类和应用9

1.5 对自动控制系统的基本要求11

思考题与习题13

第2章 自动控制系统的数学模型14

2.1 建立动态微分方程的一般方法14

2.2 非线性系统微分方程模型的线性化16

2.3 传递函数18

2.3.1 拉普拉斯变换18

2.3.2 传递函数21

2.3.3 典型环节的传递函数22

2.4 系统动态结构图26

2.4.1 结构图的基本概念26

2.4.2 结构图的组成和建立27

2.4.3 结构图的等效变换28

2.5 自动控制系统的传递函数33

2.5.1 系统的开环传递函数33

2.5.2 闭环系统的传递函数33

2.5.3 闭环系统的偏差传递函数34

2.6 信号流图35

2.6.1 信号流图采用的符号及术语35

2.6.2 信号流图的等效变换法则36

2.6.3 梅逊增益公式38

思考题与习题40

第3章 线性系统的时域分析43

3.1 自动控制系统时域响应的基本概念43

3.2 自动控制系统的稳定性和代数稳定判据44

3.2.1 自动控制系统稳定性44

3.2.2 劳斯-胡维茨判据45

3.3 一阶系统的阶跃响应48

3.4 二阶系统的阶跃响应49

3.5 二阶系统的时域指标51

3.5.1 时域指标及其计算51

3.5.2 具有零点的二阶系统56

3.6 高阶系统57

3.6.1 高阶系统的时域分析57

3.6.2 主导极点和主导极点法57

3.7 误差分析58

3.7.1 稳态误差的概念58

3.7.2 稳态误差的计算58

3.7.3 动态误差系数60

3.7.4 减小稳态误差的方法63

思考题与习题65

第4章 根轨迹分析法67

4.1 根轨迹的基本概念67

4.2 绘制根轨迹的基本条件和规则68

4.2.1 根轨迹方程68

4.2.2 绘制根轨迹的基本规则69

4.3 特殊根轨迹77

4.3.1 参数根轨迹77

4.3.2 正反馈系统根轨迹78

4.3.3 具有纯滞后环节系统的根轨迹80

4.4 用根轨迹法分析系统性能83

4.4.1 闭环极点的位置与系统性能的关系83

4.4.2 增加开环零、极点对系统性能的影响85

思考题与习题86

第5章 频域分析法88

5.1 频率特性及其表示法88

5.1.1 频率特性的基本概念88

5.1.2 频率特性的表示方法90

5.2 典型环节的频率特性93

5.2.1 比例环节的频率特性93

5.2.2 惯性环节的频率特性94

5.2.3 积分环节的频率特性96

5.2.4 微分环节的频率特性97

5.2.5 振荡环节的频率特性99

5.2.6 时滞环节101

5.2.7 最小相位与非最小相位环节102

5.3 系统开环频率特性的绘制102

5.3.1 系统的开环幅相频率特性103

5.3.2 系统的开环对数频率特性107

5.4 用频率特性分析控制系统的稳定性110

5.4.1 控制系统的稳定判据110

5.4.2 应用开环幅相频率特性判断闭环系统的稳定性113

5.4.3 应用系统开环对数频率特性判断闭环系统的稳定性117

5.4.4 奈氏稳定判据应用举例118

5.4.5 频率域中描述系统的稳定裕量121

5.5 系统瞬态特性和开环频率特性的关系123

5.5.1 开环对数频率特性的基本性质123

5.5.2 系统瞬态特性和开环频率特性的关系128

5.6 闭环系统频率特性130

5.6.1 闭环系统频率特性与开环系统频率特性的关系130

5.6.2 闭环系统等M、等θ圆及尼氏图131

5.6.3 非单位反馈系统的闭环频率特性133

5.7 系统瞬态特性和闭环频率特性的关系134

5.7.1 谐振峰值Mp和超调量δ％之间的关系134

5.7.2 谐振峰值Mp和调整时间ts的关系134

5.7.3 频带宽BW和ξ之间的关系135

思考题与习题136

第6章 控制系统的设计139

6.1 引言139

6.1.1 设计要求139

6.1.2 性能指标139

6.1.3 校正方式140

6.2 系统校正的根轨迹法140

6.2.1 超前校正141

6.2.2 滞后校正142

6.3 系统校正的频率响应法144

6.3.1 串联超前校正145

6.3.2 串联滞后校正149

6.3.3 串联滞后-超前校正154

6.4 反馈校正156

思考题与习题159

第7章 线性离散系统的理论基础160

7.1 采样控制系统的基本概念160

7.2 信号的采样和保持161

7.2.1 采样过程及采样函数的数学表达式161

7.2.2 采样定理162

7.2.3 信号的保持163

7.3 Z变换164

7.3.1 Z变换164

7.3.2 Z反变换169

7.3.3 差分方程171

7.4 脉冲传递函数172

7.4.1 脉冲传递函数的定义172

7.4.2 开环系统脉冲传递函数173

7.4.3 闭环系统脉冲传递函数176

7.5 采样控制系统的时域分析178

7.5.1 采样控制系统的稳定性分析178

7.5.2 采样控制系统的稳态误差分析181

7.5.3 采样控制系统的瞬态特性分析184

思考题与习题187

第8章 非线性系统190

8.1 非线性系统的特点190

8.2 典型非线性特性191

8.2.1 饱和特性191

8.2.2 间隙特性192

8.2.3 死区特性192

8.2.4 继电特性193

8.2.5 变放大系数特性193

8.3 描述函数法基础194

8.3.1 典型非线性特性的描述函数195

8.3.2 组合非线性特性的描述函数199

8.4 非线性系统的描述函数法分析201

8.4.1 描述函数法的应用条件201

8.4.2 非线性系统结构图的简化201

8.4.3 非线性系统的稳定性及自振分析202

8.5 相平面法基础207

8.5.1 相平面、相轨迹及相平面图207

8.5.2 相轨迹和相平面图的性质207

8.5.3 相平面图的绘制208

8.6 二阶系统的相轨迹210

8.6.1 奇点210

8.6.2 极限环212

8.6.3 渐近线213

8.7 非线性系统的相平面法分析214

思考题与习题218

参考文献221