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第1章 绪论1

1.1 引言1

1.2 自动控制系统的基本原理和组成3

1.2.1 自动控制系统3

1.2.2 反馈原理与优化设计5

1.2.3 自动控制系统的组成8

1.3 自动控制系统的分类9

1.3.1 按信号的传递路径来分9

1.3.2 按系统输出信号的变化规律来分10

1.3.3 按系统传输信号的性质来分10

1.3.4 按系统的输入输出特性来分11

1.4 控制系统实例12

1.4.1 内燃机的转速控制系统12

1.4.2 角度随动系统13

1.5 本书概貌13

习题15

第2章 控制系统的数学模型18

2.1 控制系统的时域数学模型——微分方程18

2.1.1 系统的微分方程举例19

2.1.2 非线性系统的线性化19

2.2 控制系统的复域数学模型——传递函数21

2.2.1 传递函数定义21

2.2.2 传递函数性质22

2.3 控制系统的频域数学模型——频率特性23

2.4 典型环节及其传递函数23

2.4.1 比例环节24

2.4.2 微分环节25

2.4.3 积分环节27

2.4.4 惯性环节（非周期环节）28

2.4.5 振荡环节28

2.4.6 时间延迟环节（时滞环节）29

2.5 控制系统的方块图30

2.5.1 系统方块图30

2.5.2 方块图的基本运算法则31

2.5.3 系统常用的传递函数32

2.5.4 方块图的简化法则33

2.6 信号流图36

2.6.1 几个定义36

2.6.2 信号流图的性质及运算法则37

2.6.3 信号流图与方块图之间等效关系37

2.6.4 梅逊公式39

2.7 物理元件和系统的数学模型41

2.7.1 机械系统41

2.7.2 电气系统42

2.7.3 热力系统45

2.7.4 液位系统46

2.7.5 典型位置随动系统的数学模型49

2.8 MATLAB在系统数学模型转换中的应用50

2.8.1 MATLAB中传递函数的分式多项式的表示50

2.8.2 传递函数的零极点表示51

2.8.3 用MATLAB计算系统的传递函数52

2.8.4 MATLAB中多项式与因式分解形式的互相转换54

小结55

习题55

第3章 自动控制系统的时域分析61

3.1 典型测试信号61

3.1.1 阶跃信号62

3.1.2 速度信号（斜坡信号）62

3.1.3 加速度信号（抛物线信号）63

3.1.4 脉冲信号63

3.1.5 正弦信号64

3.2 控制系统的稳定性分析65

3.2.1 稳定性的基本概念65

3.2.2 线性定常系统稳定的充分必要条件65

3.2.3 劳斯稳定性判据67

3.2.4 用MATLAB分析系统的稳定性71

3.3 控制系统的稳态特性——稳态误差分析72

3.3.1 稳态误差和控制系统类型73

3.3.2 稳态误差系数和稳态误差计算74

3.3.3 几点结论78

3.4 控制系统的动态特性——动态响应分析78

3.4.1 控制系统动态响应指标78

3.4.2 一阶系统的动态响应80

3.4.3 二阶系统动态响应的描述参数81

3.4.4 二阶系统的单位阶跃响应83

3.4.5 二阶系统的动态响应指标84

3.4.6 二阶系统的参数优化86

3.5 高阶系统的动态响应87

3.5.1 高阶系统动态响应的特点87

3.5.2 主导极点、偶极子和附加零极点89

3.6 利用MATLAB分析系统性能91

3.6.1 step命令91

3.6.2 impulse命令92

3.6.3 lsim命令93

小结94

习题95

第4章 根轨迹法101

4.1 闭环系统的根轨迹101

4.1.1 根轨迹的定义101

4.1.2 根轨迹的幅值条件和相角条件103

4.2 绘制根轨迹的基本规则104

4.2.1 绘制根轨迹的基本规则和步骤104

4.2.2 开环零、极点的变化对根轨迹的影响111

4.3 根轨迹在系统参数优化中的应用113

4.3.1 用根轨迹分析闭环主导极点113

4.3.2 用根轨迹优化系统的主导极点115

4.4 用MATLAB绘制根轨迹116

小结118

习题119

第5章 线性系统的频域分析——频率响应法125

5.1 频率特性125

5.1.1 线性定常系统对正弦输入信号的响应125

5.1.2 系统的频率特性126

5.1.3 频率特性的性质127

5.2 频率特性图127

5.2.1 频率特性的极坐标图（奈氏图）127

5.2.2 典型环节的奈氏图128

5.2.3 对数频率特性图（伯德图）133

5.2.4 基本因子的伯德图134

5.2.5 控制系统的伯德图139

5.2.6 最小相位系统和非最小相位系统143

5.2.7 对数幅相特性图144

5.2.8 用MATLAB作频率特性图145

5.3 频域中的稳定性判据146

5.3.1 引言146

5.3.2 幅角原理147

5.3.3 奈氏稳定性判据148

5.3.4 伯德图的奈氏判据153

5.4 根据伯德图求系统传递函数155

5.5 基于频率特性的性能分析与优化设计157

5.5.1 开环频率特性的性能指标157

5.5.2 稳定裕量157

5.5.3 开环频域指标与时域性能指标的关系159

5.5.4 基于闭环频率特性的系统性能分析162

5.5.5 从尼科尔斯图求闭环系统的频域指标163

5.5.6 用MATLAB分析系统的动态性能165

小结167

习题168

第6章 线性控制系统的设计176

6.1 引言176

6.2 不同域中系统动态性能指标的相互关系177

6.3 串联校正178

6.3.1 相位超前校正179

6.3.2 相位滞后校正188

6.3.3 相位超前-滞后校正194

6.3.4 有源校正网络203

6.3.5 不希望极点的抵消203

6.4 局部反馈校正204

6.4.1 局部反馈校正的基本原理204

6.4.2 速度反馈205

6.4.3 速度微分反馈207

6.5 PID控制器208

6.5.1 比例-积分控制209

6.5.2 比例-微分控制210

6.5.3 比例-积分-微分控制211

6.5.4 PID的参数优化212

6.5.5 PID控制的实现215

6.6 前馈补偿与复合控制216

6.6.1 按输入补偿的复合控制系统216

6.6.2 按扰动补偿的复合控制系统217

小结217

习题219

第7章 非线性反馈控制系统225

7.1 非线性控制系统概述225

7.1.1 典型非线性特性225

7.1.2 非线性系统的特点227

7.2 描述函数法228

7.2.1 描述函数的基本概念228

7.2.2 典型非线性特性的描述函数229

7.2.3 组合非线性特性的描述函数232

7.2.4 非线性系统的描述函数分析233

7.3 相平面法235

7.3.1 相轨迹的基本概念235

7.3.2 奇点和极限环236

7.3.3 相轨迹的绘制239

7.3.4 非线性系统的相平面分析241

7.4 利用非线性特性优化系统的性能244

7.5 MATLAB在非线性控制系统中的应用246

小结247

习题248

第8章 计算机控制系统252

8.1 概述252

8.2 计算机控制系统的硬件组成253

8.3 采样与恢复254

8.3.1 采样过程255

8.3.2 采样定理256

8.3.3 信号恢复258

8.4 z变换261

8.4.1 z变换的定义261

8.4.2 z变换的基本性质262

8.4.3 z变换的求法265

8.4.4 z反变换的求法267

8.5 脉冲传递函数268

8.5.1 数字部分的脉冲传递函数269

8.5.2 连续部分的脉冲传递函数269

8.5.3 采样器位置的重要性272

8.5.4 闭环脉冲传递函数273

8.6 离散控制系统的性能分析277

8.6.1 离散控制系统的稳定性分析277

8.6.2 离散控制系统的动态性能分析280

8.6.3 离散控制系统的稳态性能分析284

8.7 数字控制器的设计287

8.7.1 数字控制器的模拟化设计287

8.7.2 数字控制器的直接设计293

8.8 MATLAB在离散控制系统中的应用297

小结299

习题300

附录1 常见系统的根轨迹305

附录2 拉氏变换及z变换表307

附录3 常用校正装置309

参考文献314