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第1章 绪论1

单元导学1：认识控制系统1

1.1 自动控制系统的基本概念1

1.1.1 控制系统发展的三个理论阶段1

1.1.2 控制系统的基本构成2

1.1.3 控制系统的分类3

1.2 自动控制系统的分析和设计步骤4

1.2.1 自动控制系统的基本要求4

1.2.2 自动控制系统的分析和设计步骤5

习题16

第2章 拉普拉斯变换7

单元导学2：分析和设计控制系统时需要用到的数学工具7

2.1 拉普拉斯变换的基本概念7

2.1.1 拉氏变换的定义8

2.1.2 基本环节的拉氏变换8

2.2 拉普拉斯变换的常用性质和定理9

2.2.1 线性性质9

2.2.2 微分性质10

2.2.3 积分性质10

2.2.4 延迟性质11

2.2.5 复位移性质11

2.2.6 初值定理12

2.2.7 终值定理12

2.3 拉普拉斯反变换13

2.3.1 象函数的根互不相同13

2.3.2 象函数有重根14

单元导学3：拉氏变换的应用16

2.4 用拉普拉斯变换求解微分方程16

习题218

第3章 控制系统的数学模型19

单元导学4：控制系统的数学模型之传递函数19

3.1 系统的微分方程19

3.2 传递函数19

3.2.1 传递函数的定义20

3.2.2 传递函数的性质21

3.2.3 基本RLC网络的复阻抗23

单元导学5：控制系统的数学模型之结构图25

3.3 系统结构图25

3.3.1 结构图的四个基本要素25

3.3.2 闭环控制系统的结构图25

3.3.3 典型环节构成的系统26

3.3.4 结构图的化简28

单元导学6：控制系统的数学模型之信号流图36

3.4 信号流图与梅森公式36

3.4.1 信号流图的基本元素36

3.4.2 梅森（MASON）公式39

习题341

第4章 控制系统的时域分析43

单元导学7：控制系统的首要特性——稳定性43

4.1 线性系统的稳定性43

4.1.1 稳定性的定义43

4.1.2 线性系统稳定的充要条件44

单元导学8：稳定性判据——劳斯判据48

4.2 劳斯判据48

4.2.1 稳定判据48

4.2.2 两种特例的处理50

4.3 劳斯判据的应用54

4.3.1 确定参数的取值范围54

4.3.2 控制系统的相对稳定性55

单元导学9：一阶系统的动态分析57

4.4 一阶系统的时域分析57

4.4.1 典型的输入测试信号57

4.4.2 一阶系统的典型结构58

4.4.3 一阶系统的单位阶跃响应58

4.4.4 一阶系统的设计60

单元导学10：二阶系统的动态分析61

4.5 二阶系统的时域分析61

4.5.1 二阶系统的典型结构61

4.5.2 阻尼比与单位阶跃响应62

4.5.3 动态性能指标64

4.5.4 主要参数与系统动态性能的关系66

4.6 二阶系统的设计67

4.6.1 已知开环传递函数求主要参数67

4.6.2 已知闭环传递函数求动态性能指标67

4.6.3 已知动态性能指标求传递函数69

4.6.4 已知单位阶跃响应求传递函数69

单元导学11：控制系统的稳态分析72

4.7 控制系统的稳态误差72

4.7.1 基本概念72

4.7.2 稳态误差的计算73

4.7.3 扰动误差的概念80

习题482

第5章 根轨迹法84

单元导学12：控制系统特性分析的图解法之根轨迹84

5.1 基本概念84

5.1.1 根轨迹的定义84

5.1.2 根轨迹的开环传递函数86

5.1.3 根轨迹的增益87

单元导学13：根轨迹满足的两个基本条件88

5.2 根轨迹的基本条件88

单元导学14：根轨迹的绘制91

5.3 绘制根轨迹的基本法则一91

5.3.1 根轨迹的连续性、对称性91

5.3.2 根轨迹的起点与终点91

5.3.3 根轨迹的数量92

5.3.4 实轴上的根轨迹段落92

5.4 绘制根轨迹的基本法则二93

5.4.1 根轨迹的渐近线93

5.4.2 根轨迹在实轴上的分离点和会合点94

5.4.3 根轨迹与虚轴的交点97

5.5 绘制根轨迹的基本法则三99

5.5.1 开环共轭复极点的出射角99

5.5.2 开环共轭复零点的入射角100

单元导学15：根轨迹的一些特性106

5.6 根轨迹中闭环极点的计算106

5.6.1 闭环极点的和与积106

5.6.2 添加开环极零点对根轨迹的影响107

单元导学16：根轨迹的应用110

5.7 根轨迹的应用——比例控制110

习题5115

第6章 控制系统的频率分析117

单元导学17：频率特性的定义和概念117

6.1 频率特性的基本概念117

6.1.1 频率特性的定义117

6.1.2 频率特性的性质121

6.1.3 常用的频率特性表示方法121

单元导学18：乃奎斯特稳定判据124

6.2 幅角原理与乃奎斯特稳定判据124

6.2.1 柯西（Cauchy）幅角原理124

6.2.2 乃奎斯特稳定判据126

单元导学19：频率特性图解法之乃奎斯特图129

6.3 乃奎斯特图的绘制129

6.3.1 开环对象在乃奎斯特围线上无奇异点129

6.3.2 开环对象含有积分环节时的乃奎斯特图131

单元导学20：幅值裕量和相角裕量136

6.4 乃奎斯特稳定裕量136

6.4.1 幅值裕量的基本概念136

6.4.2 相位裕量的基本概念138

单元导学21：频率特性图解法之波特图140

6.5 对数频率特性法140

6.5.1 对数频率特性图的坐标140

6.5.2 典型环节的波特图142

6.5.3 绘制开环系统波特图的步骤150

单元导学22：稳定裕量在波特图中的表示156

6.6 波特图中的频域指标156

6.6.1 波特图中的稳态裕量表示156

6.6.2 闭环频域特性及其频域性能指标159

6.6.3 频域性能指标与时域性能指标的关系159

6.6.4 对数幅频特性图中反映的动态性能161

习题6163

第7章 反馈控制系统的设计165

单元导学23：系统校正165

7.1 系统设计方法介绍165

7.1.1 控制系统的性能指标165

7.1.2 校正方式166

7.1.3 PID校正166

单元导学24：超前校正与滞后校正169

7.2 超前校正与滞后校正169

7.2.1 超前校正169

7.2.2 滞后校正171

7.2.3 滞后—超前校正173

单元导学25：利用根轨迹设计系统校正环节175

7.3 利用根轨迹的系统校正175

7.3.1 时域性能和期望极点175

7.3.2 串联超前校正175

7.3.3 串联滞后校正178

单元导学26：利用波特图设计系统校正环节181

7.4 利用频率特性的系统校正181

7.4.1 期望的开环频率特性模型181

7.4.2 串联超前校正182

7.4.3 串联滞后校正184

习题7187

参考文献188

附录189