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第1章 自动控制的一般概念1

1.1 引言1

1.2 自动控制与自动控制系统1

1.2.1 人工控制2

1.2.2 自动控制2

1.2.3 自动控制系统3

1.2.4 控制系统的方块图3

1.3 自动控制系统的基本控制方式3

1.3.1 开环控制4

1.3.2 闭环控制5

1.3.3 复合控制6

1.4 自动控制系统的基本组成与分类7

1.4.1 自动控制系统的基本组成7

1.4.2 自动控制系统的分类8

1.5 自动控制系统示例9

1.5.1 计算机硬盘读／写数据系统9

1.5.2 水加热自动控制系统10

1.5.3 防空导弹制导系统10

1.6 对自动控制系统的要求12

1.6.1 稳定性12

1.6.2 快速性12

1.6.3 准确性12

1.6.4 自动控制理论主要研究的问题12

习题13

第2章 控制系统的数学模型15

2.1 数学模型概述15

2.1.1 数学模型的定义与分类15

2.1.2 数学模型建立的原则15

2.2 控制系统的微分方程16

2.2.1 微分方程列写步骤16

2.2.2 控制系统元件微分方程的列写16

2.2.3 控制系统微分方程的列写19

2.2.4 非线性微分方程的线性化20

2.3 控制系统的传递函数23

2.3.1 传递函数的定义23

2.3.2 传递函数的性质24

2.3.3 MATLAB中传递函数模型的建立26

2.3.4 电网络传递函数的求取30

2.3.5 典型环节及其传递函数33

2.4 控制系统的结构图38

2.4.1 结构图的概念38

2.4.2 结构图的组成39

2.4.3 结构图的绘制39

2.4.4 结构图的基本连接形式43

2.4.5 结构图的等效变换44

2.4.6 用MATLAB求取三种基本连接形式的传递函数50

2.5 信号流图53

2.5.1 信号流图的组成及性质53

2.5.2 信号流图的绘制55

2.5.3 梅森增益公式及其应用56

2.6 控制系统的闭环传递函数59

2.6.1 几个基本概念59

2.6.2 闭环传递函数59

习题63

第3章 线性系统的时域分析法68

3.1 引言68

3.1.1 典型输入信号68

3.1.2 动态过程和稳态过程70

3.1.3 性能指标70

3.2 一阶系统的时域分析71

3.2.1 数学模型71

3.2.2 单位阶跃响应72

3.2.3 单位斜坡响应73

3.2.4 单位脉冲响应73

3.2.5 时间响应的特点74

3.3 二阶系统的时域分析74

3.3.1 数学模型75

3.3.2 二阶系统的工作状态75

3.3.3 单位阶跃响应76

3.3.4 欠阻尼二阶系统的动态性能分析79

3.3.5 过阻尼二阶系统的动态性能分析83

3.3.6 二阶系统性能的改善85

3.4 高阶系统的时间响应与性能估算87

3.4.1 高阶系统的时间响应87

3.4.2 基于主导极点法的高阶系统性能估算89

3.5 应用MATLAB求解系统的时间响应90

3.5.1 单位阶跃响应91

3.5.2 单位脉冲响应94

3.5.3 单位斜坡响应95

3.5.4 任意输入信号作用下的响应96

3.6 线性系统的稳定性分析97

3.6.1 稳定性的概念和定义97

3.6.2 线性系统稳定的充分必要条件98

3.6.3 劳思稳定判据99

3.6.4 应用MATLAB进行稳定性分析105

3.7 线性系统的稳态误差计算107

3.7.1 误差与稳态误差107

3.7.2 系统类型108

3.7.3 输入信号作用下稳态误差的计算109

3.7.4 扰动作用下的稳态误差112

3.7.5 减小或消除稳态误差的措施114

习题115

第4章 线性系统的根轨迹法121

4.1 根轨迹的基本概念121

4.1.1 根轨迹121

4.1.2 根轨迹方程123

4.2 根轨迹的绘制124

4.2.1 绘制根轨迹的基本法则124

4.2.2 影响根轨迹形状的其他因素137

4.2.3 根轨迹绘制举例139

4.3 应用MATLAB绘制根轨迹143

4.4 几类典型控制系统的根轨迹146

4.4.1 非最小相位系统的根轨迹146

4.4.2 参数根轨迹149

4.4.3 零度根轨迹151

4.4.4 根轨迹簇154

4.5 系统性能分析155

习题157

第5章 线性系统的频域分析法159

5.1 频率特性159

5.1.1 频率特性的基本概念159

5.1.2 频率特性的求取161

5.1.3 频率特性的几何表示法163

5.2 典型环节的频率特性164

5.2.1 比例环节165

5.2.2 积分环节与纯微分环节165

5.2.3 惯性环节与一阶微分环节168

5.2.4 振荡环节与二阶微分环节172

5.2.5 不稳定环节177

5.2.6 延迟环节179

5.3 开环频率特性曲线的绘制179

5.3.1 开环幅相频率特性曲线180

5.3.2 应用MATLAB绘制幅相频率特性曲线185

5.3.3 开环对数频率特性曲线187

5.3.4 应用MATLAB绘制对数频率特性曲线190

5.3.5 最小相位系统与非最小相位系统193

5.4 频域稳定判据195

5.4.1 奈奎斯特稳定判据196

5.4.2 对数频率稳定判据206

5.5 控制系统的稳定裕度210

5.5.1 相角裕度γ210

5.5.2 幅值裕度h210

5.5.3 稳定裕度计算举例212

5.5.4 应用MATLAB求稳定裕度及相应频率216

5.6 闭环频率特性217

5.6.1 闭环频率特性与开环频率特性的关系217

5.6.2 闭环幅频特性及其频域指标217

5.6.3 应用MATLAB求闭环频域指标218

5.7 系统性能分析220

5.7.1 开环对数幅频特性形状对系统性能的影响220

5.7.2 由频率响应与时域响应的对应关系分析系统的动态性能223

习题227

第6章 控制系统的校正232

6.1 基本概念232

6.1.1 不可变部分与系统校正232

6.1.2 校正方式232

6.1.3 性能指标233

6.1.4 校正装置的设计方法234

6.2 串联超前校正234

6.2.1 超前校正网络及其特性234

6.2.2 频率法串联超前校正236

6.3 串联滞后校正240

6.3.1 滞后校正网络及其特性240

6.3.2 频率法串联滞后校正241

6.4 串联滞后—超前校正246

6.4.1 滞后—超前校正网络及其特性246

6.4.2 频率法串联滞后—超前校正248

6.5 反馈校正253

6.5.1 反馈校正原理253

6.5.2 反馈校正功能254

6.5.3 期望特性法反馈校正258

6.6 复合校正265

6.6.1 按扰动补偿的复合校正265

6.6.2 按输入补偿的复合校正267

习题270

第7章 线性离散系统的分析与校正274

7.1 离散系统的基本概念274

7.1.1 采样控制系统274

7.1.2 数字控制系统275

7.1.3 离散系统277

7.2 信号的采样与保持278

7.2.1 采样过程及其物理意义278

7.2.2 采样信号的数学描述279

7.2.3 信号的复现（保持）282

7.3 z变换284

7.3.1 z变换的定义284

7.3.2 z变换的求取方法285

7.3.3 z变换的基本性质和定理287

7.3.4 z反变换290

7.3.5 应用MATLAB求z变换与z反变换293

7.4 离散系统的脉冲传递函数294

7.4.1 脉冲传递函数的概念294

7.4.2 开环脉冲传递函数297

7.4.3 闭环脉冲传递函数299

7.5 线性离散系统的稳定性分析302

7.5.1 从s平面到z平面的映射303

7.5.2 线性离散系统稳定的充分必要条件304

7.5.3 w域劳思稳定判据304

7.5.4 应用MATLAB进行稳定性分析306

7.6 线性离散系统的稳态误差308

7.6.1 单位阶跃输入时的稳态误差309

7.6.2 单位斜坡输入时的稳态误差309

7.6.3 单位加速度输入时的稳态误差309

7.7 线性离散系统的动态性能分析312

7.7.1 解析法求取单位阶跃响应312

7.7.2 闭环极点与动态性能的关系314

7.7.3 应用MATLAB求取单位阶跃响应315

7.8 离散系统的数字校正318

7.8.1 最少拍系统设计319

7.8.2 无波纹最少拍系统设计324

习题327

第8章 非线性控制系统的分析331

8.1 非线性控制系统概述331

8.1.1 非线性控制系统概念331

8.1.2 典型非线性特性332

8.1.3 非线性控制系统的特征334

8.1.4 非线性控制系统的分析与设计方法335

8.2 描述函数335

8.2.1 描述函数的基本概念335

8.2.2 典型非线性特性的描述函数337

8.2.3 复杂非线性特性的描述函数341

8.3 描述函数法343

8.3.1 非线性控制系统的简化343

8.3.2 非线性控制系统的稳定性分析344

8.3.3 非线性控制系统周期运动的稳定性分析345

8.4 应用MATLAB/Simulink进行非线性控制系统的数字仿真349

习题352

附录A 常用函数的拉普拉斯变换355

附录B 拉普拉斯变换常用定理356

附录C MATLAB/Simulink简介357

附录D 本书中用到的MATLAB函数索引367

参考文献369