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第1章 自动控制系统的一般概念1

1.1 自动控制与自动控制系统1

1.2 自动控制的方式2

1.2.1 开环控制系统与闭环控制系统2

1.2.2　闭环控制系统的组成8

1.3 自动控制系统的类型9

1.3.1　按元件特性分类9

1.3.2　按信号形式分类10

1.3.3　按给定信号形式分类10

1.4 对自动控制系统的基本要求10

1.4.1 稳定性11

1.4.2　快速性12

1.4.3　准确性13

本章小结13

习题14

第2章　控制系统的数学模型17

2.1 线性系统微分方程17

2.1.1 线性环节微分方程的建立17

2.1.2　控制系统微分方程的建立20

2.2　非线性系统的线性化22

2.3 传递函数25

2.3.1 传递函数26

2.3.2　传递函数的性质26

2.3.3　典型环节的传递函数27

2.4 系统动态结构图35

2.4.1 系统动态结构图的组成35

2.4.2　系统动态结构图的绘制36

2.4.3　系统动态结构图的等效变换38

2.4.4　系统动态结构图变换举例43

2.5　信号流图及梅森公式45

2.5.1　信号流图的基本概念46

2.5.2　信号流图的绘制47

2.5.3　信号流图的简化49

2.5.4　梅森公式50

2.6 自动控制系统的传递函数52

2.6.1　系统开环传递函数53

2.6.2　系统闭环传递函数53

2.6.3　系统误差传递函数54

2.7 MATLAB中数学模型的表示54

2.7.1　传递函数55

2.7.2　控制系统的零极点模型56

2.7.3　控制系统结构图模型56

2.7.4　控制系统模型间的转换58

本章小结59

习题60

第3章　线性控制系统的时域分析65

3.1 线性控制系统时域响应的性能指标65

3.1.1　典型初始状态65

3.1.2　典型输入信号66

3.1.3　动态过程与稳态过程67

3.1.4　性能指标68

3.2　线性系统的时域响应分析69

3.2.1 一阶系统的时域响应69

3.2.2　二阶系统的时域响应72

3.2.3 高阶系统的时域响应80

3.3　线性控制系统的代数稳定判据81

3.3.1　稳定性的概念81

3.3.2　稳定的充分必要条件82

3.3.3　劳思稳定判据83

3.3.4　赫尔维茨判据85

3.3.5　相对稳定性和稳定裕量86

3.3.6　结构不稳定及改善措施87

3.4　线性控制系统的稳态误差89

3.4.1 稳态误差的定义89

3.4.2　稳态误差计算90

3.4.3 系统类型91

3.4.4 给定信号作用下的稳态误差分析91

3.5 利用MATLAB进行时域分析94

3.5.1 用MATLAB进行时域动态响应分析94

3.5.2　用MATLAB求根并进行系统稳定性分析97

3.5.3 用MATLAB进行系统稳态误差分析98

本章小结107

习题107

第4章 线性控制系统的根轨迹分析112

4.1 根轨迹的基本概念112

4.1.1　根轨迹概念112

4.1.2　根轨迹方程113

4.2　根轨迹的绘制法则115

4.2.1 根轨迹的分支数与对称性115

4.2.2　根轨迹的起点与终点116

4.2.3　实轴上的根轨迹116

4.2.4　根轨迹的渐近线117

4.2.5　根轨迹的分离点与会合点119

4.2.6　根轨迹的出射角和入射角122

4.2.7　根轨迹与虚轴交点124

4.2.8　根之和126

4.3　广义根轨迹131

4.3.1　参数根轨迹131

4.3.2　零度根轨迹133

4.3.3　非最小相位系统的根轨迹135

4.4　用根轨迹法分析系统的性能136

4.4.1 在根轨迹上确定闭环极点136

4.4.2 用根轨迹法分析系统的暂态特性137

4.4.3 增加开环零、极点对系统性能的影响139

4.5 用MATLAB绘制根轨迹142

4.5.1　绘制系统根轨迹142

4.5.2　根轨迹分析144

本章小结149

习题149

第5章　线性控制系统的频域分析153

5.1 频率特性及其表示法153

5.1.1　频率特性的基本概念153

5.1.2　频率特性的图形表示法156

5.2　典型环节对数频率特性曲线的绘制158

5.2.1 比例环节158

5.2.2　积分与微分环节159

5.2.3　惯性环节161

5.2.4　一阶微分环节163

5.2.5　振荡环节164

2.5.6　滞后环节166

5.3 系统的开环对数频率特性167

5.3.1　系统开环对数频率特性167

5.3.2　最小相位系统与非最小相位系统169

5.3.3 系统类型与对数幅频特性之间的关系171

5.4　开环系统的幅相频率特性曲线175

5.4.1 典型环节的幅相频率特性曲线176

5.4.2　开环系统幅相频率特性曲线的一般画法180

5.5　奈奎斯特稳定判据184

5.5.1　预备知识184

5.5.2　奈奎斯特稳定判据186

5.5.3　对数稳定判据192

5.6 系统的相对稳定性195

5.6.1　相对稳定性的概念195

5.6.2　相位裕量与幅值裕量197

5.6.3 关于相位裕量和幅值裕量的几点说明199

5.7　闭环频率特性202

5.7.1 闭环频率特性202

5.7.2　尼科尔斯图205

5.8 频域指标与时域指标之间的关系209

5.8.1 闭环频率特性指标与时域指标210

5.8.2　开环频率特性与时域指标212

5.9 MATLAB在系统频域分析中的应用212

5.9.1 利用MATLAB绘制伯德图并求取稳定裕量213

5.9.2　利用MATLAB绘制奈奎斯特图并验证奈奎斯特稳定判据217

5.9.3 利用MATLAB绘制尼科尔斯图及进行闭环系统分析219

本章小结220

习题221

第6章　控制系统的校正226

6.1 校正的基本概念226

6.1.1　频率法校正226

6.1.2　校正方式227

6.2 串联校正装置229

6.2.1　无源校正网络229

6.2.2　PID控制规律234

6.3 基于频率法的串联校正设计238

6.3.1 串联超前校正设计238

6.3.2 串联滞后校正设计242

6.3.3 串联滞后－超前校正246

6.3.4 利用希望特性进行校正的设计方法248

6.4 反馈校正251

6.4.1 利用反馈校正改变局部环节的结构与参数251

6.4.2 利用负反馈可以消除系统不可变部分中的不希望有的特性252

6.4.3 利用反馈校正抑制一些严重扰动253

6.5 前馈-反馈复合校正255

6.5.1 对输入补偿的复合校正255

6.5.2 对扰动补偿的复合校正257

6.6 MATLAB在控制系统校正中的应用259

本章小结264

习题264

第7章 线性离散系统分析268

7.1 离散系统的基本概念268

7.1.1 采样控制系统269

7.1.2 计算机控制系统269

7.1.3 离散控制系统270

7.2 采样过程与采样定理270

7.2.1 信号采样270

7.2.2 采样定理275

7.3 采样信号保持器275

7.4 z变换理论277

7.4.1 z变换的定义277

7.4.2 求z变换的方法278

7.4.3 z变换的性质279

7.4.4 z逆变换280

7.5 离散系统的数学模型282

7.5.1 线性常系数差分方程282

7.5.2 脉冲传递函数284

7.5.3 结构图等效变换286

7.6 离散系统的稳定性293

7.6.1 s平面与z平面的映射关系293

7.6.2 离散系统稳定的充分必要条件294

7.6.3 离散系统稳定性判据295

7.6.4 参数对稳定性的影响296

7.7 离散系统的稳态误差297

7.8 离散系统的动态性能分析300

7.8.1 离散系统的时间响应300

7.8.2 闭环极点与动态响应的关系301

7.9 离散PID控制算法304

7.10 用MATLAB进行离散系统分析306

7.10.1 脉冲传递函数306

7.10.2 时域响应307

7.10.3 离散PID控制器308

本章小结311

习题312

第8章 非线性系统分析316

8.1 非线性系统概述316

8.1.1 非线性系统的动态过程特点317

8.1.2 典型非线性特性及其对系统性能的影响319

8.2 非线性特性的描述函数322

8.2.1 非线性特性的描述函数322

8.2.2 典型非线性特性的描述函数323

8.3 非线性系统的描述函数法330

8.3.1 描述函数法330

8.3.2 非线性系统的简化330

8.3.3 非线性系统分析333

8.3.4 描述函数法的应用335

8.4 非线性特性的利用338

8.4.1 非线性阻尼控制338

8.4.2 非线性相角超前线路339

8.4.3 非线性积分器339

8.5 相平面法341

8.5.1 相平面341

8.5.2 相轨迹341

8.5.3 相平面分析法346

8.6 基于MATLAB/Simulink的非线性系统分析350

8.6.1 死区非线性特性的死区折算350

8.6.2 描述函数法应用350

8.6.3 非线性特性的利用355

8.6.4 相轨迹分析357

本章小结360

习题360

附录365

附录1 MATLAB简介365

附录2 z变换表372

附录3 部分习题答案374

参考文献391