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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4

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7

1.3 对控制系统的基本要求7

1.4 控制工程发展概况8

习题9

第2章 数学模型10

2.1 控制系统的运动微分方程10

2.1.1 建立数学模型的一般步骤10

2.1.2 控制系统微分方程的列写11

2.2 拉氏变换和反变换15

2.2.1 拉氏变换的定义15

2.2.2 几种典型函数的拉氏变换16

2.2.3 拉氏变换的主要定理18

2.2.4 拉氏反变换21

2.2.5 应用拉氏变换求解线性微分方程29

2.3 传递函数31

2.3.1 传递函数的概念和定义31

2.3.2 特征方程、零点和极点32

2.3.3 关于传递函数的几点说明33

2.3.4 典型环节及其传递函数33

2.4 系统框图和信号流图43

2.4.1 系统框图43

2.4.2 系统框图的简化47

2.4.3 系统信号流图和梅森公式51

2.4.4 控制系统的传递函数54

2.5 非线性数学模型的线性化56

2.5.1 线性化问题的提出56

2.5.2 非线性数学模型的线性化57

2.5.3 系统线性化微分方程的建立58

2.6 控制系统传递函数推导举例60

2.6.1 机械系统60

2.6.2 液压系统65

2.6.3 液位系统67

2.6.4 机电系统69

2.6.5 热力系统71

习题72

第3章 时域分析法77

3.1 典型输入信号77

3.2 一阶系统的时间响应78

3.2.1 一阶惯性环节的单位阶跃响应79

3.2.2 一阶惯性环节的单位速度响应80

3.2.3 一阶惯性环节的单位脉冲响应80

3.2.4 线性定常系统时间响应的性质81

3.3 二阶系统的时间响应81

3.3.1 二阶系统的单位阶跃响应83

3.3.2 二阶系统的性能指标87

3.4 高阶系统的时间响应93

3.5 误差分析和计算95

3.5.1 稳态误差的基本概念95

3.5.2 稳态误差的计算96

3.5.3 稳态误差系数97

3.5.4 扰动引起的稳态误差和系统总误差102

3.6 稳定性分析104

3.6.1 稳定的概念104

3.6.2 稳定的条件105

3.6.3 劳思稳定判据107

3.7 基于MATLAB与SIMULINK的时域特性分析112

3.7.1 基于MATLAB的时域特性分析112

3.7.2 基于SIMULINK的时域特性分析118

习题124

第4章 频域分析法126

4.1 频率特性的基本概念126

4.1.1 频率响应和频率特性126

4.1.2 频率特性的求取方法128

4.1.3 频率特性的图示方法128

4.2 典型环节的频率特性130

4.2.1 比例环节130

4.2.2 惯性环节130

4.2.3 积分环节133

4.2.4 理想微分环节134

4.2.5 振荡环节135

4.2.6 一阶微分环节137

4.2.7 二阶微分环节138

4.2.8 延迟环节139

4.3 系统开环频率特性141

4.3.1 最小相位系统141

4.3.2 系统开环尼氏图的绘制142

4.3.3 系统开环博德图的绘制144

4.3.4 传递函数实验确定法147

4.4 频域稳定性判据150

4.4.1 尼奎斯特稳定性判据150

4.4.2 对数频率特性的稳定性判据157

4.4.3 稳定性裕量158

4.5 闭环控制系统的频率特性161

4.5.1 闭环系统频率特性的求取161

4.5.2 闭环系统的频域指标164

4.6 频域指标与时域性能指标间的关系165

4.6.1 闭环频域指标与时域性能指标之间的关系166

4.6.2 开环频域指标与时域性能指标之间的关系166

4.7 用系统开环频率特性分析闭环系统性能168

4.7.1 低频段168

4.7.2 中频段169

4.7.3 结论171

4.8 基于MATLAB与SIMULINK的频域特性分析172

4.8.1 基于MATLAB的频域特性分析172

4.8.2 基于SIMULINK的频域特性分析177

习题181

第5章 控制系统的设计和校正186

5.1 概述186

5.2 PID控制规律187

5.2.1 P控制（比例控制）188

5.2.2 PI控制（比例加积分控制）189

5.2.3 PD控制（比例加微分控制）190

5.2.4 PID控制（比例加积分加微分控制）191

5.3 PID控制规律的实现193

5.3.1 PD控制规律的实现193

5.3.2 PI控制规律的实现195

5.3.3 PID控制规律的实现197

5.3.4 小结200

5.4 频率法设计和校正201

5.4.1 PID校正网络参数的确定201

5.4.2 近似PID校正网络的参数确定205

5.5 并联校正和复合控制212

5.5.1 并联校正（反馈校正）212

5.5.2 复合控制215

5.6 基于MATLAB与SIMULINK的控制系统设计与校正218

5.6.1 基于MATLAB的控制系统设计与校正218

5.6.2 基于SIMULINK的控制系统设计与校正222

习题229

第6章 线性离散系统与Z变换232

6.1 概述232

6.2 采样过程与采样定理234

6.2.1 采样过程234

6.2.2 采样定理235

6.2.3 信号恢复236

6.3 Z变换与Z反变换238

6.3.1 Z变换238

6.3.2 Z反变换242

6.3.3 连续系统的离散化方程——差分方程246

6.3.4 用Z变换法求解差分方程248

6.4 脉冲传递函数249

6.4.1 脉冲传递函数249

6.4.2 离散系统的开环脉冲传递函数251

6.4.3 离散系统的闭环脉冲传递函数253

6.4.4 闭环离散系统的过渡过程255

6.5 离散系统的稳定性分析257

6.5.1 ［s］平面到［z］平面之间的映射257

6.5.2 线性离散系统稳定的充要条件257

6.5.3 线性离散系统稳定性的判别方法258

6.6 数字控制器与离散PID控制260

6.6.1 数字控制器的脉冲传递函数260

6.6.2 离散PID控制器及其校正261

6.7 基于SIMULINK的离散系统时域特性分析266

习题268

第7章 状态空间分析法270

7.1 状态变量与状态空间270

7.2 连续系统的状态方程及输出方程271

7.2.1 由系统微分方程列写状态方程及输出方程271

7.2.2 由系统状态变量图列写状态方程及输出方程279

7.2.3 由系统框图直接列写状态方程及输出方程282

7.2.4 非线性系统的状态方程及输出方程286

7.2.5 时变线性系统的状态方程及输出方程290

7.3 离散系统的状态方程及输出方程291

7.3.1 作用函数不含未来值292

7.3.2 作用函数含未来值293

7.4 控制系统状态方程的解296

7.4.1 连续系统状态方程的解296

7.4.2 离散系统状态方程的解313

7.4.3 连续系统状态方程的离散化320

7.5 系统状态方程的计算机辅助分析324

7.5.1 连续系统状态方程的数值积分程序324

7.5.2 基于MATLAB与SIMULINK的系统状态空间分析330

7.6 基于MATLAB的系统数学模型转换334

习题337

第8章 控制系统的应用和分析341

8.1 带钢卷取电液伺服控制系统341

8.1.1 概述341

8.1.2 控制系统的组成和工作原理342

8.1.3 控制系统性能分析343

8.2 电压-转角机电伺服控制系统350

8.2.1 概述350

8.2.2 控制系统的组成和工作原理350

8.2.3 控制系统性能分析351

8.3 仿形刀架机液伺服控制系统355

8.3.1 概述355

8.3.2 控制系统的组成和工作原理356

8.3.3 控制系统性能分析357

8.4 定量浇注气动调节控制系统362

8.4.1 概述362

8.4.2 控制系统的组成和工作原理362

8.4.3 控制系统性能分析364

附录369

附录A 常用函数的拉氏变换和Z变换表369

附录B Z变换基本定理372

附录C 矩阵运算373

附录D 基本的数值解法375

附录E 部分习题参考答案377

参考文献387