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第一章 绪论1

1-1引言1

1-1-1控制系统的基本组成部分1

1-1-2控制系统应用举例2

1-1-3开环控制系统（无反馈系统）5

1-1-4闭环控制系统（反馈控制系统）6

1-2反馈的含义及其作用6

1-2-2反馈对于稳定性的影响7

1-2-1反馈对于总增益的影响7

1-2-3反馈对于外部干扰或噪声的作用9

1-3反馈控制系统的类型9

1-3-1线性系统与非线性系统10

1-3-2定常与时变系统10

1-4小结12

复习题12

第二章 数学基础14

2-1引言14

2-2-1 Laplace变换的定义15

2-2 Laplace变换15

2-2-2 Laplace反变换16

2-2-3 Laplace变换的基本定理16

2-3通过部分因式展开来求Laplace反变换19

2-3-1部分因式展开19

2-4应用Laplace变换法求解线性常微分方程22

2-5线性系统的脉冲响应与传递函数24

2-5-1脉冲响应25

2-5-2单输入单输出系统的传递函数25

2-5-3多变量系统的传递函数26

2-6 MATLAB工具和案例分析28

2-6-1传递函数工具箱的介绍及其使用28

2-7小结38

复习题38

参考文献38

习题39

附加计算机练习题40

第三章 方块图和信号流图41

3-1方块图41

3-1-1控制系统的方块图42

3-1-2方块图和多变量系统传递函数43

3-2信号流图45

3-2-1信号流图的基本元素45

3-2-2信号流图的基本性质46

3-2-3信号流图术语的定义47

3-2-4信号流图代数48

3-2-5反馈控制系统的信号流图49

3-2-6信号流图增益公式50

3-2-7在输出节点与非输入节点间应用增益公式52

3-2-8增益公式在方块图中的应用52

3-3状态图54

3-3-1根据微分方程得到状态图55

3-3-2根据状态图得到传递函数56

3-3-3根据状态图得到状态方程和输出方程56

3-4 MATLAB工具和案例分析58

3-5 小结60

复习题61

参考文献61

习题62

4-2电气网络的模型72

第四章 物理系统的模型72

4-1引言72

4-3机械系统的模型75

4-3-1平移运动75

4-3-2旋转运动77

4-3-3平移运动与旋转运动之间的转换79

4-3-4齿轮传动链80

4-3-5齿隙和死区（非线性特性）82

4-4机械系统的方程82

4-5-1电位计87

4-5控制系统中的感应器和编码器87

4-5-2转速计91

4-5-3增量式编码器93

4-6控制系统中的直流电动机95

4-6-1直流电动机的基本操作原理96

4-6-2永磁直流电动机的基本分类96

4-6-3永磁直流电动机的数学模型98

4-7非线性系统的线性化101

4-8具有传输滞后的系统（时滞系统）105

4-8-1通过有理函数近似表达时滞函数106

4-9 一个太阳观测系统的例子107

4-9-1坐标系统108

4-9-2误差辨别器108

4-9-3反向放大器109

4-9-4伺服放大器109

4-9-5转速计109

4-9-6直流电动机109

4-11小结110

4-10 MATLAB工具和案例分析110

复习题111

参考文献111

习题112

第五章 状态变量分析127

5-1引言127

5-2状态方程的向量-矩阵描述127

5-3状态转移矩阵129

5-3-1状态转移矩阵的意义130

5-3-2状态转移矩阵的性质130

5-4状态转移方程131

5-4-1从状态图求状态传递方程133

5-5状态方程与高阶微分方程之间的关系135

5-6状态方程与传递函数之间的关系137

5-7特征方程、特征值和特征向量139

5-7-1特征值140

5-7-2特征向量141

5-8相似变换143

5-8-1相似变换的不变特性143

5-8-2能控标准型（CCF）144

5-8-3能观标准型（OCF）145

5-8-4对角标准型（DCF）147

5-8-5 Jordan标准型（JCF）148

5-9传递函数的分解149

5-9-1直接分解150

5-9-2串级分解153

5-9-3并行分解154

5-10控制系统的能控性156

5-10-1能控性的概念157

5-10-2状态能控性的定义157

5-10-3能控性的其他检验方法158

5-11线性系统的能观性160

5-11-1能观性的定义160

5-11-2能观性的其他检验方法160

5-12能控性、能观性和传递函数之间的关系161

5-13能控性和能观性的不变性定理163

5-14实例：磁球悬浮系统164

5-15 MATLAB工具和案例分析167

5-15-1状态空间分析工具箱的使用说明167

5-15-3另一个例子174

5-15-2状态空间应用的TFsym工具箱的使用说明174

5-16 小结180

复习题181

参考文献181

习题181

附加计算机练习题194

第六章 线性控制系统稳定性195

6-1引言195

6-2连续时间系统的有界输入、有界输出（BIBO）稳定性195

6-2-1特征方程的根和稳定性之间的关系196

6-3连续时间系统的零输入和渐近稳定性197

6-4稳定性判定方法198

6-5 Routh-Hurwitz判据199

6-5-1 Routh表格［1］200

6-5-2当Routh表格提前中止时的特殊情形201

6-6 MATLAB工具和案例分析204

6-7小结207

复习题209

参考文献209

习题209

复习题答案213

附加计算机练习题213

第七章 控制系统的时域分析214

7-1连续时间系统的时间响应：引言214

7-2控制系统时间响应的典型测试信号215

7-3单位阶跃响应和时域描述216

7-4稳态误差217

7-4-1线性连续时间控制系统的稳态误差218

7-4-2非线性系统元件产生的稳态误差228

7-5-1直流电动机的转速控制229

7-5一阶系统的时间响应229

7-6典型二阶系统的暂态响应230

7-6-1阻尼比和阻尼因子232

7-6-2自然无阻尼频率232

7-6-3最大超调235

7-6-4延迟时间和上升时间236

7-6-5调节时间238

7-7定位控制系统的时域分析241

7-7-1单位阶跃暂态响应244

7-7-2稳态响应246

7-7-3单位斜坡输入的时间响应247

7-7-4一个三阶系统的时间响应248

7-8传递函数增加零极点的影响251

7-8-1在前向通道传递函数中增加一个极点：单位反馈系统251

7-8-2在闭环传递函数中增加一个极点252

7-8-3在闭环传递函数中增加一个零点254

7-8-4在前向通道传递函数中增加一个零点：单位反馈系统254

7-9传递函数的主导极点256

7-9-1相对阻尼比257

7-9-2基于稳态响应的考虑，忽略次要极点的适当方法257

7-10-1近似准则258

7-10用低阶系统近似高阶系统：标准方法258

7-11 MATLAB工具和案例分析266

7-12小结280

复习题280

参考文献281

习题281

附加计算机练习题288

判断题答案288

8-1引言289

第八章 根轨迹法289

8-2根轨迹（RL）的基本性质290

8-3根轨迹的性质293

8-3-1 K=0和K=±∞的点293

8-3-2 RL的分支数294

8-3-3 RL的对称性294

8-3-4 RL的渐近线交角：|s|=∞处RL的行为294

8-3-5渐近线的交点（质心）295

8-3-6实轴上的根轨迹295

8-3-9 RL的分离点（鞍点）296

8-3-7 RL的出射角与入射角296

8-3-8 RL与虚轴的交点296

8-3-10根敏感度［17,18,19］297

8-4根轨迹设计300

8-4-1在G(s)H(s)中增加零极点的影响300

8-5根轨迹族：多参数变化情形306

8-6 MATLAB工具与根轨迹311

8-7小结314

复习题314

参考文献315

习题316

判断题答案320

第九章 频域分析321

9-1引言321

9-1-1闭环系统的频域响应322

9-1-2频域性能指标323

9-2标准二阶系统的Mr、wr和带宽BW324

9-2-1谐振峰值和谐振频率324

9-2-2带宽326

9-3增加开环传递函数零点的影响328

9-4增加开环传递函数极点的影响332

9-5 Nyquist稳定性判据：基础333

9-5-1稳定性问题333

9-5-2环绕和包围的定义334

9-5-3环绕和包围次数335

9-5-4幅角原理336

9-5-5 Nyquist曲线339

9-5-6 Nyquist判据以及L（s）或G（s）H（s）图340

9-6具有最小相位传递函数系统的Nyquist判据340

9-6-1应用Nyquist判据于非严真的最小相位传递函数341

9-7根轨迹和Nyquist图的关系342

9-8示例：最小相位传递函数的Nyquist判据344

9-9增加L（s）的极点和零点对Nyquist图的形状的影响348

9-10相对稳定性：增益裕量和相位裕量352

9-10-1增益裕量354

9-10-2相位裕量355

9-11用Bode图作稳定性分析357

9-11-1具有纯时滞的系统的Bode图358

9-12-1条件稳定系统361

9-12 Bode图的幅值曲线的斜率与相对稳定性的关系361

9-13用幅值－相位曲线进行稳定性分析364

9-14幅值－相位图中的定常M曲线：Nichols图365

9-15 Nichols图应用于非单位反馈系统371

9-16频域中敏感度研究372

9-17 MATLAB工具和案例分析374

9-18小结386

复习题387

习题388

参考文献388

附加计算机练习题396

判断题答案396

第十章 控制系统的设计397

10-1引言397

10-1-1设计要求397

10-1-2控制器结构398

10-1-3设计的基本原则400

10-2 PD控制器的设计401

10-2-1 PD控制的时域分析403

10-2-2 PD控制的频域分析404

10-2-3 PD控制作用总结405

10-3 PI控制器的设计416

10-3-1 PI控制的时域分析与设计418

10-3-2 PI控制的频域分析与设计418

10-4 PID控制器的设计430

10-5相位超前控制器的设计433

10-5-1相位超前控制的时域分析及设计435

10-5-2相位超前控制的频域分析与设计435

10-5-3相位超前补偿的作用450

10-5-4单阶相位超前控制的局限性451

10-5-5多阶相位超前控制器451

10-5-6敏感度考虑454

10-6相位滞后控制器的设计456

10-6-1相位滞后控制的时域分析和设计456

10-6-2相位滞后控制的频域分析和设计459

10-6-3相位滞后控制的作用和局限性468

10-7超前－滞后控制器的设计468

10-8零极点对消设计：陷波滤波器470

10-8-1二阶有源滤波器472

10-8-2频域解释和设计473

10-9前向和前馈控制器481

10-10鲁棒控制系统的设计482

10-11次环反馈控制491

10-11-1速率反馈或转速计反馈控制491

10-11-2含有源滤波器的次环反馈控制492

10-12状态反馈控制494

10-13通过状态反馈进行极点配置设计496

10-14含积分控制的状态反馈500

10-15 MATLAB工具和案例分析506

10-16小结518

复习题519

参考文献519

习题520

判断题答案535

第十一章 虚拟实验室536

11-1 引言536

11-2直流电动机响应的重要方面536

11-2-1 速度响应、自感效应和扰动-开环响应537

11-2-2直流电动机的速度控制：闭环响应539

11-2-3位置控制540

11-3虚拟实验系统的描述541

11-3-1 电动机541

11-3-2位置传感器或速度传感器542

11-3-3功率放大器542

11-3-4接口542

11-4 SIMLab和Virtual Lab软件的描述542

11-5仿真和虚拟实验546

11-5-1开环速度547

11-5-2开环正弦输入549

11-5-3速度控制551

11-5-4位置控制553

11-6设计项目555

11-7小结560

参考文献560

习题560

Laplace变换表563

译后记565