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第一篇 控制基础篇1

第1章 自动控制系统的一般概念2

1.1引言2

1.2自动控制与自动控制系统2

1.2.1人工控制与自动控制3

1.2.2控制系统的方框图表示法5

1.2.3开环控制与闭环控制6

1.2.4自动控制系统的基本组成8

1.3自动控制系统的基本类型8

1.3.1恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统9

1.3.2线性系统和非线性系统11

1.3.3连续系统和离散系统12

1.4对自动控制系统的基本要求12

1.5本课程的任务及本书概貌14

1.5.1课程的任务14

1.5.2本书概貌14

小结15

习题15

第2章 控制系统的数学模型18

2.1引言18

2.2系统微分方程的建立19

2.2.1线性系统的微分方程19

2.2.2非线性微分方程的线性化21

2.3线性系统的传递函数24

2.3.1传递函数25

2.3.2传递函数的性质26

2.3.3传递函数的求法26

2.3.4典型环节的传递函数29

2.4控制系统的动态结构图与信号流图35

2.4.1动态结构图的概念35

2.4.2动态结构图的绘制36

2.4.3动态结构图的等效变换42

2.4.4信号流图及梅逊增益公式47

2.5闭环控制系统的传递函数52

2.5.1闭环控制系统的开环传递函数53

2.5.2给定输入信号作用下系统的闭环传递函数53

2.5.3干扰信号作用下系统的闭环传递函数54

2.5.4闭环控制系统的误差传递函数54

2.5.5多输入-多输出系统的传递函数矩阵55

2.6 MATLAB中数学模型的表示57

2.6.1数学模型的MATLAB表示及其转换57

2.6.2应用MATLAB指令简化动态结构图60

小结61

习题61

第二篇 系统分析篇67

第3章 控制系统的时域分析68

3.1引言68

3.1.1典型输入信号68

3.1.2控制系统时域响应的性能指标71

3.2线性定常系统的稳定性及稳定判据72

3.2.1稳定的基本概念72

3.2.2线性系统稳定的充分必要条件73

3.2.3劳斯稳定判据74

3.2.4系统参数对稳定性的影响78

3.2.5系统的相对稳定性和稳定裕量80

3.2.6结构不稳定系统及其改善81

3.3控制系统的稳态误差81

3.3.1误差和稳态误差的定义81

3.3.2给定输入作用下的稳态误差83

3.3.3干扰作用下的稳态误差与系统结构参数的关系86

3.3.4改善系统稳态精度的途径89

3.4控制系统的动态性能分析89

3.4.1一阶系统的时域分析89

3.4.2二阶系统的时域分析92

3.4.3高阶系统分析105

3.5线性系统的基本控制规律——PID控制107

3.6用MATLAB对系统进行时域分析111

小结114

习题115

第4章 控制系统的根轨迹分析法119

4.1引言119

4.1.1根轨迹119

4.1.2根轨迹与系统性能120

4.2根轨迹法的基本概念121

4.2.1根轨迹方程121

4.2.2系统闭环零点、极点和开环零点、极点的关系122

4.2.3相角条件和幅值条件122

4.3根轨迹的绘制124

4.3.1绘制根轨迹图的基本法则124

4.3.2绘制根轨迹图举例131

4.4广义根轨迹的绘制132

4.4.1参数根轨迹图的绘制132

4.4.2零度根轨迹图的绘制135

4.5利用根轨迹图分析控制系统性能138

4.5.1闭环系统极点、零点的位置与系统性能的关系138

4.5.2由根轨迹图确定条件稳定系统的参数取值范围140

4.6用MATLAB进行控制系统的根轨迹分析142

4.6.1用MATLAB绘制根轨迹图142

4.6.2用MATLAB对系统根轨迹进行分析举例143

小结145

习题146

第5章 控制系统的频域分析148

5.1引言148

5.1.1频率特性的基本概念148

5.1.2用图形表示频率特性150

5.2对数频率特性151

5.2.1对数频率特性图151

5.2.2典型环节的对数频率特性153

5.2.3控制系统开环对数频率特性图的绘制160

5.2.4最小相位系统与非最小相位系统164

5.2.5由频率特性确定相应的传递函数167

5.3频率特性极坐标图169

5.3.1极坐标图（幅相频率特性曲线）169

5.3.2典型环节的频率特性极坐标图171

5.3.3控制系统的开环频率特性极坐标图173

5.4奈奎斯特稳定判据176

5.4.1奈奎斯特稳定判据的数学基础176

5.4.2奈奎斯特稳定判据179

5.4.3对数频率特性上的奈奎斯特判据182

5.4.4用奈奎斯特判据判断延迟系统稳定性184

5.5控制系统的相对稳定性185

5.5.1相角裕量与幅值裕量185

5.5.2控制系统的相对稳定性分析187

5.6控制系统的频域分析189

5.6.1典型二阶系统的频域分析190

5.6.2高阶系统的频域分析193

5.7用MATLAB进行控制系统的频域分析198

小结202

习题203

第三篇 系统设计篇207

第6章 控制系统的校正208

6.1引言208

6.1.1系统校正的概念208

6.1.2系统校正基础209

6.2常用校正装置及其特性212

6.2.1超前校正装置及其特性212

6.2.2滞后校正装置及其特性215

6.2.3滞后—超前校正装置及其特性216

6.3频域法串联校正218

6.3.1串联超前校正218

6.3.2串联滞后校正221

6.3.3串联滞后-超前校正224

6.3.4按期望特性对系统进行串联校正228

6.4根轨迹法串联校正231

6.4.1串联超前校正232

6.4.2串联滞后校正236

6.4.3串联滞后-超前校正238

6.5工程控制方法-PID控制240

6.6反馈校正244

6.6.1利用反馈校正改变局部结构和参数245

6.6.2利用反馈校正取代局部结构246

6.7复合校正250

6.7.1按干扰补偿的复合校正250

6.7.2按输入补偿的复合校正251

小结254

习题254

第四篇 应用篇259

第7章 控制系统示例260

7.1引言260

7.2一种电动比例蝶阀控制系统260

7.3智能车速度控制系统262

7.4锅炉给水控制系统264

7.5汽车制动器性能测试的试验台控制系统269

附录 常用函数的拉普拉斯变换简表及拉普拉斯变换的几个重要定理275

参考文献276