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1 绪论1

1.1 控制理论的形成与发展1

1.1.1 自动控制理论阶段2

1.1.2 现代控制理论阶段6

1.1.3 智能控制理论阶段6

1.2 自动控制系统的基本概念9

1.2.1 手动控制与自动控制系统9

1.2.2 自动控制系统的基本环节12

1.2.3 自动控制系统的基本变量13

1.2.4 开环控制系统13

1.2.5 闭环控制系统14

1.2.6 复合控制系统15

1.3 自动控制系统性能的基本要求16

1.3.1 稳定性16

1.3.2 动态特性18

1.3.3 静态特性20

1.4 自动控制系统的分类21

1.4.1 线性系统与非线性系统21

1.4.2 连续系统与离散系统22

1.4.3 恒值系统与随动系统23

1.4.4 单变量系统与多变量系统23

1.4.5 确定性系统与不确定性系统23

1.4.6 集中参数系统与分布参数系统23

1.5 教学内容与要求23

1.5.1 教学内容23

1.5.2 教学要求24

本章小结25

本章习题25

2 线性控制系统的数学模型26

2.1 微分方程描述法26

2.2 传递函数描述法31

2.2.1 传递函数的定义31

2.2.2 传递函数的基本性质31

2.2.3 典型环节的传递函数32

2.3 方框图描述法35

2.3.1 方框图的定义35

2.3.2 方框图的等效变换37

2.4 信号流图描述法41

2.4.1 信号流图的定义与基本术语42

2.4.2 信号流图的基本性质42

2.4.3 信号流图的绘制43

2.4.4 信号流图的梅森公式44

2.5 控制系统的典型传递函数45

2.5.1 系统的开环传递函数45

2.5.2 系统的闭环传递函数46

2.5.3 系统的误差传递函数46

本章小结47

本章习题48

3 控制系统的时域分析52

3.1 典型输入信号52

3.2 线性定常系统的时域响应与性能指标53

3.2.1 线性定常系统的时域响应53

3.2.2 控制系统时域响应的性能指标54

3.3 一阶系统的时域响应55

3.3.1 一阶系统的单位阶跃响应55

3.3.2 一阶系统的单位脉冲响应56

3.3.3 线性定常系统的重要特性56

3.4 二阶系统的时域响应57

3.4.1 二阶系统的数学模型57

3.4.2 二阶系统的单位阶跃响应58

3.4.3 二阶系统的时域响应的性能指标60

3.4.4 二阶系统的单位脉冲响应66

3.5 高阶系统的时域响应66

3.5.1 高阶系统单位阶跃响应66

3.5.2 闭环主导极点68

3.6 线性定常系统的稳定性69

3.6.1 控制系统稳定性的概念与条件69

3.6.2 线性定常系统稳定的充分必要条件69

3.6.3 劳斯稳定判据70

3.6.4 劳斯判据的特殊情况71

3.6.5 赫尔维茨稳定判据73

3.6.6 稳定判据的应用74

3.6.7 相对稳定性和稳定裕度75

3.7 系统的稳态误差76

3.7.1 误差及稳态误差的基本概念76

3.7.2 系统稳态误差的计算78

3.7.3 动态误差系数82

3.7.4 改善系统稳态精度的途径83

本章小结86

本章习题87

4 根轨迹法90

4.1 根轨迹的基本概念90

4.2 根轨迹方程91

4.3 常规根轨迹绘制规则93

4.4 广义根轨迹及其绘制101

4.4.1 参数根轨迹101

4.4.2 零度根轨迹103

4.5 控制系统的根轨迹分析106

4.5.1 基于根轨迹的系统稳定性分析106

4.5.2 基于根轨迹的系统稳态性能分析106

4.5.3 基于根轨迹的系统动态性能分析107

4.5.4 增加开环零、极点对根轨迹的影响108

本章小结109

本章习题109

5 控制系统的频域分析111

5.1 频率特性的基本概念111

5.1.1 线性系统的频率响应和频率特性111

5.1.2 用图形表示频率特性113

5.2 典型环节的频率特性115

5.2.1 比例环节的频率特性116

5.2.2 积分环节的频率特性116

5.2.3 微分环节的频率特性118

5.2.4 惯性环节和一阶微分环节的频率特性119

5.2.5 振荡环节和二阶微分环节的频率特性122

5.2.6 时滞环节的频率特性126

5.3 系统开环频率特性127

5.3.1 开环幅相频率特性曲线127

5.3.2 开环对数频率特性曲线133

5.3.3 最小相位系统和非最小相位系统137

5.4 控制系统的频域稳定性判据139

5.4.1 幅角原理139

5.4.2 奈氏判据140

5.4.3 奈氏判据在伯德图中的应用146

5.5 控制系统的相对稳定性147

5.5.1 相位裕量148

5.5.2 增益裕量148

5.5.3 开环对数频率特性与相对稳定性的关系150

5.6 控制系统的闭环频率特性155

5.6.1 开环频率特性与闭环频率特性的关系156

5.6.2 等M圆图和等N圆图156

5.6.3 尼柯尔斯图线159

5.6.4 非单位反馈系统的闭环频率特性162

5.7 频域性能指标与时域性能指标的关系162

5.7.1 开环频域指标和时域性能指标的关系162

5.7.2 闭环频域指标与时域性能指标的关系164

本章小结166

本章习题167

6 控制系统的校正与设计169

6.1 控制系统校正的概念169

6.2 常用校正装置及其特性172

6.2.1 超前校正装置172

6.2.2 滞后校正装置173

6.2.3 滞后-超前校正装置174

6.2.4 PID校正装置175

6.3 采用频率法进行串联校正178

6.3.1 超前校正设计179

6.3.2 滞后校正设计180

6.3.3 滞后-超前校正设计182

6.3.4 按系统期望频率特性进行校正184

6.3.5 PID校正187

6.4 反馈校正及其参数确定189

本章小结193

本章习题193

7 非线性控制系统197

7.1 非线性系统概述197

7.1.1 典型非线性特性197

7.1.2 非线性系统的基本特征199

7.1.3 非线性系统的分析方法及应用201

7.2 描述函数法202

7.2.1 描述函数法的基本概念202

7.2.2 典型非线性特性的描述函数203

7.2.3 用描述函数法分析非线性系统的稳定性208

7.3 相平面法211

7.3.1 相平面的基本概念211

7.3.2 相轨迹的绘制212

7.3.3 相平面分析214

本章小结223

本章习题223

8 离散控制系统226

8.1 离散系统的基本概念226

8.1.1 离散控制系统226

8.1.2 离散控制系统的特点229

8.1.3 离散控制系统的研究方法229

8.2 信号的采样与保持229

8.2.1 采样过程及其数学描述229

8.2.2 采样定理231

8.2.3 信号的复现与零阶保持器232

8.2.4 采样周期的选择234

8.3 z变换理论235

8.3.1 z变换的定义235

8.3.2 z变换方法236

8.3.3 z变换基本定理240

8.3.4 z反变换243

8.4 离散控制系统的数学模型245

8.4.1 差分方程246

8.4.2 脉冲传递函数247

8.4.3 差分方程和脉冲传递函数的关系256

8.5 离散控制系统的分析257

8.5.1 离散控制系统的稳定性257

8.5.2 离散控制系统的稳态误差261

8.5.3 离散控制系统的动态性能分析263

本章小结267

本章习题267

9 直流电动机控制系统分析与综合270

9.1 直流电机简介270

9.2 直流电动机模型及特性分析271

9.2.1 直流电动机模型271

9.2.2 直流电动机模型特性分析272

9.3 直流电动机闭环控制系统的时域分析274

9.3.1 基于调速模型讨论闭环控制与开环控制的优劣274

9.3.2 基于位置模型讨论PID闭环控制277

9.4 直流电动机闭环控制系统的频域分析291

9.5 直流电动机位置与速度控制系统综合293

9.5.1 直流电动机位置控制系统的根轨迹综合293

9.5.2 直流电动机位置控制系统的频域综合302

9.6 直流电动机离散控制系统分析312

9.7 直流电动机离散控制系统综合315

9.7.1 利用连续域离散化方法综合控制系统315

9.7.2 利用最小拍设计方法综合控制系统318

9.8 直流电动机非线性反馈控制系统综合324

9.8.1 非线性速度反馈校正改善动态品质324

9.8.2 前向通道加入非线性环节改善动态品质326

9.8.3 用非线性切换方式改善滞后（PI）校正328

本章小结329

附录1 Matlab/Simulink在控制系统分析与综合中的应用实例330

附录2 自动化领域重要学术期刊、会议及文献检索工具358

参考文献360