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第1章 控制系统的基本概念1

1.1 控制系统的工作原理及其组成1

1.1.1 工作原理1

1.1.2 开环控制和闭环控制3

1.1.3 闭环控制系统的组成3

1.2 控制系统的基本类型5

1.2.1 按输入量的特征分类5

1.2.2 按系统中传递信号的性质分类6

1.3 对控制系统的基本要求7

1.4 控制工程发展概况7

习题8

第2章 数学模型12

2.1 控制系统的运动微分方程12

2.1.1 建立数学模型的一般步骤12

2.1.2 控制系统微分方程的列写13

2.2 拉氏变换和反变换17

2.2.1 拉氏变换的定义17

2.2.2 几种典型函数的拉氏变换17

2.2.3 拉氏变换的主要定理20

2.2.4 拉氏反变换23

2.2.5 应用拉氏变换求解线性微分方程31

2.3 传递函数33

2.3.1 传递函数的概念和定义33

2.3.2 特征方程、零点和极点35

2.3.3 关于传递函数的几点说明35

2.3.4 典型环节及其传递函数36

2.4 系统框图和信号流图45

2.4.1 系统框图45

2.4.2 系统框图的简化50

2.4.3 系统信号流图和梅森公式54

2.4.4 控制系统的传递函数57

2.5 非线性数学模型的线性化59

2.5.1 线性化问题的提出59

2.5.2 非线性数学模型的线性化60

2.5.3 系统线性化微分方程的建立61

2.6 控制系统传递函数推导举例63

2.6.1 机械系统63

2.6.2 液压系统69

2.6.3 液位系统70

2.6.4 机电系统73

2.6.5 热力系统75

习题76

第3章 时域分析法83

3.1 典型输入信号83

3.2 一阶系统的时间响应84

3.2.1 一阶惯性环节的单位阶跃响应85

3.2.2 一阶惯性环节的单位速度响应86

3.2.3 一阶惯性环节的单位脉冲响应86

3.2.4 线性定常系统时间响应的性质87

3.3 二阶系统的时间响应87

3.3.1 二阶系统的单位阶跃响应88

3.3.2 二阶系统的性能指标93

3.4 高阶系统的时间响应99

3.5 误差分析和计算101

3.5.1 稳态误差的基本概念101

3.5.2 稳态误差的计算102

3.5.3 稳态误差系数103

3.5.4 扰动引起的稳态误差和系统总误差109

3.6 稳定性分析110

3.6.1 稳定的概念111

3.6.2 稳定的条件112

3.6.3 劳思稳定判据113

3.7 基于MATLAB与SIMULINK的时域特性分析119

3.7.1 基于MATLAB的时域特性分析119

3.7.2 基于SIMULINK的时域特性分析125

习题131

第4章 根轨迹分析法134

4.1 基本概念134

4.1.1 根轨迹134

4.1.2 系统开、闭环零、极点之间的关系136

4.1.3 根轨迹方程137

4.1.4 广义根轨迹138

4.2 根轨迹绘制的一般步骤及其基本规则138

4.2.1 预备步骤139

4.2.2 根轨迹绘制140

4.3 控制系统的根轨迹分析153

4.3.1 系统闭环极点的期望位置153

4.3.2 增加开环零、极点对根轨迹的影响154

4.3.3 单参数可变系统的根轨迹分析举例157

4.3.4 多参数可变系统的根轨迹分析举例158

4.4 基于MATLAB的根轨迹分析161

4.4.1 MATLAB根轨迹分析函数161

4.4.2 基于MATLAB根轨迹分析举例161

4.4.3 MATLAB根轨迹簇的绘制164

习题165

第5章 频域分析法168

5.1 频率特性的基本概念168

5.1.1 频率响应和频率特性168

5.1.2 频率特性的求取方法170

5.1.3 频率特性的图示方法170

5.2 典型环节的频率特性172

5.2.1 比例环节172

5.2.2 惯性环节172

5.2.3 积分环节175

5.2.4 理想微分环节176

5.2.5 振荡环节177

5.2.6 一阶微分环节179

5.2.7 二阶微分环节180

5.2.8 延迟环节181

5.3 系统开环频率特性183

5.3.1 最小相位系统183

5.3.2 系统开环奈氏图的绘制184

5.3.3 系统开环伯德图的绘制187

5.3.4 传递函数实验确定法190

5.4 频域稳定性判据192

5.4.1 奈奎斯特稳定性判据192

5.4.2 对数频率特性的稳定性判据200

5.4.3 稳定性裕量202

5.5 闭环控制系统的频率特性204

5.5.1 闭环系统频率特性的求取204

5.5.2 闭环系统的频域指标207

5.6 频域指标与时域性能指标间的关系209

5.6.1 闭环频域指标与时域性能指标之间的关系209

5.6.2 开环频域指标与时域性能指标之间的关系210

5.7 用系统开环频率特性分析闭环系统性能211

5.7.1 低频段211

5.7.2 中频段212

5.7.3 结论214

5.8 基于MATLAB与SIMULINK的频域特性分析215

5.8.1 基于M ATLA B的频域特性分析215

5.8.2 基于SIMULINK的频域特性分析220

习题224

第6章 控制系统的设计和校正230

6.1 概述230

6.2 PID控制规律231

6.2.1 P控制（比例控制）232

6.2.2 PI控制（比例加积分控制）232

6.2.3 PD控制（比例加微分控制）234

6.2.4 PID控制（比例加积分加微分控制）235

6.3 PID控制规律的实现237

6.3.1 PD控制规律的实现237

6.3.2 PI控制规律的实现240

6.3.3 PID控制规律的实现242

6.3.4 小结245

6.4 频率法设计和校正246

6.4.1 PID校正网络参数的确定246

6.4.2 近似PID校正网络的参数确定250

6.5 并联校正和复合控制258

6.5.1 并联校正（反馈校正）258

6.5.2 复合控制261

6.6 基于MATLAB与SIMULINK的控制系统设计与校正264

6.6.1 基于MATLAB的控制系统设计与校正264

6.6.2 基于SIMULINK的控制系统设计与校正268

习题276

第7章 线性离散系统与Z变换279

7.1 概述279

7.2 采样过程与采样定理280

7.2.1 采样过程280

7.2.2 采样定理282

7.2.3 信号恢复282

7.3 Z变换与Z反变换285

7.3.1 Z变换285

7.3.2 Z反变换289

7.3.3 连续系统的离散化方程——差分方程294

7.3.4 用Z变换法求解差分方程296

7.4 脉冲传递函数297

7.4.1 脉冲传递函数297

7.4.2 离散系统的开环脉冲传递函数300

7.4.3 离散系统的闭环脉冲传递函数301

7.4.4 闭环离散系统的过渡过程303

7.5 离散系统的稳定性分析305

7.5.1 ［s］平面到［z］平面之间的映射305

7.5.2 线性离散系统稳定的充要条件306

7.5.3 线性离散系统稳定性的判别方法307

7.6 数字控制器与离散PID控制308

7.6.1 数字控制器的脉冲传递函数308

7.6.2 离散PID控制器及其校正309

7.7 基于SIMULINK的离散系统时域特性分析315

习题317

第8章 状态空间分析法319

8.1 状态变量与状态空间319

8.2 连续系统的状态方程及输出方程320

8.2.1 由系统微分方程列写状态方程及输出方程320

8.2.2 由系统状态变量图列写状态方程及输出方程329

8.2.3 由系统框图直接列写状态方程及输出方程333

8.3 离散系统的状态方程及输出方程337

8.3.1 作用函数不含未来值337

8.3.2 作用函数含未来值339

8.4 控制系统状态方程的解342

8.4.1 连续系统状态方程的解342

8.4.2 离散系统状态方程的解354

8.5 基于MATLAB与SIMULINK的系统状态空间分析360

8.5.1 基于MATLAB的系统状态空间分析360

8.5.2 基于SIMULINK的系统状态空间分析362

8.6 基于MATLAB的系统数学模型转换365

习题368

第9章 控制系统的应用和分析370

9.1 带钢卷取电液伺服控制系统370

9.1.1 概述370

9.1.2 控制系统的组成和工作原理371

9.1.3 控制系统性能分析372

9.2 电压-转角机电伺服控制系统379

9.2.1 概述379

9.2.2 控制系统的组成和工作原理379

9.2.3 控制系统性能分析380

9.3 仿形刀架机液伺服控制系统385

9.3.1 概述385

9.3.2 控制系统的组成和工作原理385

9.3.3 控制系统性能分析386

9.4 定量浇注气动调节控制系统392

9.4.1 概述392

9.4.2 控制系统的组成和工作原理392

9.4.3 控制系统性能分析394

附录399

附录A 常用函数的拉氏变换和变换表399

附录B Z变换基本定理402

附录C 矩阵运算403

附录D 基本的数值解法405

附录E 部分习题参考答案408

参考文献429