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第1章 自动控制系统的一般概念1

1.1 引言1

1.2 自动控制发展历程1

1.3 自动控制的实例3

1.4 自动控制系统的基本组成及要求5

1.4.1 自动控制系统的基本组成5

1.4.2 自动控制系统的基本要求6

1.5 自动控制系统的分类6

1.5.1 按控制方式分类6

1.5.2 按控制系统性能分类7

1.5.3 控制系统其他的分类方法8

1.6 自动控制的发展前景8

1.6.1 自动控制理论的发展8

1.6.2 数控制造业的发展9

1.6.3 电网调度的自动化技术11

1.7 本课程的任务12

附录：自动控制的相关术语13

习题14

第2章 控制系统的数学模型15

2.1 引言15

2.2 运动对象的微分方程16

2.3 线性微分方程的求解21

2.3.1 线性微分方程的特性21

2.3.2 非线性微分方程的线性化21

2.4 控制系统的复域数学模型22

2.5 控制系统的结构图27

2.5.1 结构图的基本组成27

2.5.2 结构图的绘制27

2.5.3 结构图的基本连接方式29

2.5.4 结构图的简化31

2.6 信号流图和梅逊公式36

2.6.1 信号流图的基本术语和性质36

2.6.2 信号流图的绘制38

2.6.3 梅逊增益公式40

2.7 数学模型的实验测定45

附录：拉普拉斯变换与反变换46

习题52

第3章 线性系统的时域分析法55

3.1 引言55

3.2 线性控制系统的时域性能指标及典型输入55

3.2.1 绝对稳定性、相对稳定性55

3.2.2 典型输入信号56

3.2.3 系统的时域性能指标57

3.3 一阶系统的时域响应58

3.3.1 单位阶跃响应59

3.3.2 单位脉冲响应60

3.3.3 单位斜坡响应60

3.3.4 一阶系统的单位加速度响应61

3.4 二阶系统的时域响应62

3.4.1 二阶系统的数学模型62

3.4.2 二阶系统的特性64

3.4.3 欠阻尼二阶系统的响应65

3.4.4 临界阻尼二阶系统的响应73

3.4.5 过阻尼二阶系统的响应75

3.4.6 二阶系统的性能改善79

3.4.7 非零初始条件的二阶系统响应85

3.5 高阶系统的时域响应85

3.6 线性定常系统的稳定性89

3.6.1 稳定性的基本概念89

3.6.2 劳斯稳定判据90

3.6.3 劳斯稳定判据特殊情况92

3.7 线性系统稳态误差的计算95

3.7.1 系统类型95

3.7.2 不同类型系统的稳态误差96

3.7.3 带扰动作用线性系统的性能分析98

习题100

第4章 自动控制系统的根轨迹法104

4.1 根轨迹概念104

4.2 根轨迹增益及根轨迹方程105

4.2.1 根轨迹增益105

4.2.2 根轨迹方程107

4.3 根轨迹绘制的基本法则110

4.4 使用MATLAB绘制根轨迹126

4.4.1 求系统根轨迹的函数rlocus()126

4.4.2 求系统根轨迹的函数rlocfind()129

4.4.3 零极点分布图函数pzmap()130

4.4.4 根轨迹设计工具130

4.5 根轨迹与系统性能的关系134

4.5.1 根轨迹与系统性能之间的关系135

4.5.2 利用根轨迹设计控制系统140

4.6 广义根轨迹143

4.6.1 参数根轨迹143

4.6.2 零度根轨迹147

习题151

第5章 自动控制系统的频域分析法154

5.1 引言154

5.2 频率特性的表示方法154

5.2.1 幅相频率特性曲线图154

5.2.2 对数频率特性图156

5.2.3 其他频率表示方法158

5.3 开环典型环节频率特性绘制159

5.3.1 典型最小相位环节的幅频曲线159

5.3.2 典型非最小相位环节的幅频曲线165

5.4 一般系统频率特性的绘制166

5.5 特定系统频率特性的表示方法169

5.5.1 v型开环传递函数的幅相曲线绘制169

5.5.2 v型开环传递函数的对数频率特性曲线的绘制172

5.5.3 带二阶零阻尼系统开环传递函数幅相曲线的绘制173

5.5.4 带二阶零阻尼系统开环传递函数对数频率特性曲线的绘制177

5.5.5 带延迟环节系统幅相曲线的绘制179

5.6 频率特性的重要性质180

5.7 频域系统的稳定性182

5.7.1 基本概念及数学基础182

5.7.2 奈奎斯特稳定性判据189

5.7.3 奈奎斯特稳定性判据应用举例191

5.7.4 对数频率特性的稳定性判据201

5.8 控制系统的稳定裕度204

5.8.1 幅值裕度205

5.8.2 相角裕度205

5.8.3 稳定裕度举例205

5.8.4 系统稳定性小结207

5.9 使用MATLAB绘制系统的频率特性208

5.9.1 控制系统的幅相特性的绘制208

5.9.2 控制系统的对数频率特性的绘制210

5.9.3 控制系统的Nichols曲线的绘制212

5.9.4 控制系统稳定裕度的计算和判断213

5.9.5 带延迟环节系统的分析215

5.10 闭环系统的频域性能指标217

5.10.1 闭环控制系统的带宽217

5.10.2 闭环系统的带宽对系统性能的影响217

5.10.3 闭环系统与开环系统之间的关系219

5.10.4 闭环二阶系统频域指标和时域指标之间的关系222

5.10.5 Nichols图线的应用224

5.11 频域系统的设计举例227

5.11.1 给定目标性能，设计系统传递函数227

5.11.2 远程遥控侦察车231

5.11.3 雕刻机控制系统233

附录：傅氏变换235

习题240

第6章 自动控制系统的串联校正245

6.1 引言245

6.2 常用校正装置245

6.2.1 无源校正网络245

6.2.2 有源校正装置250

6.2.3 PID控制器253

6.3 系统的串联校正254

6.3.1 频率响应法校正方法254

6.3.2 串联超前校正255

6.3.3 串联滞后校正259

6.3.4 串联滞后-超前校正262

6.3.5 串联校正的预期频率特性综合法265

6.4 反馈校正269

6.4.1 反馈校正的原理269

6.4.2 反馈校正的特点270

6.4.3 反馈校正的综合271

6.4.4 测速-超前网络反馈校正272

6.5 复合校正274

6.5.1 按扰动补偿的复合校正274

6.5.2 按输入补偿的复合校正276

6.5.3 串联综合法校正279

6.5.4 串联工程综合设计法283

习题286

第7章 离散采样系统289

7.1 概述289

7.2 计算机控制系统的组成及特点289

7.2.1 计算机反馈控制系统289

7.2.2 计算机控制系统的组成290

7.2.3 计算机控制系统的特点291

7.3 信号转换292

7.3.1 A/D转换292

7.3.2 采样信号293

7.3.3 采样定理294

7.3.4 采样周期T的选取294

7.3.5 信号恢复与保持器295

7.4 Z变换295

7.4.1 采样信号拉氏变换296

7.4.2 Z变换的定义296

7.5 Z变换的性质和定理297

7.6 Z变换的求法300

7.6.1 级数求和法300

7.6.2 基于Z变换定理求法301

7.6.3 部分分式展开法301

7.6.4 留数计算法302

7.7 Z反变换303

7.7.1 幂级数展开法303

7.7.2 部分分式展开法304

7.7.3 反演积分法305

7.8 Z传递函数306

7.8.1 Z传递函数的定义306

7.8.2 Z传递函数与单位脉冲响应序列的关系307

7.9 离散系统的稳定性分析307

7.9.1 离散系统稳定性的概念307

7.9.2 离散系统稳定性判据308

7.10 线性离散系统的响应分析309

习题312

第8章 自动控制系统的工业应用314

8.1 典型控制单元314

8.1.1 弹簧314

8.1.2 电位差计和变阻器315

8.1.3 伺服电机316

8.2 典型控制器317

8.2.1 液压控制器317

8.2.2 电气控制器319

8.2.3 链式控制321

8.2.4 比例控制323

8.3 工业应用实例326

8.3.1 蒸汽发生器326

8.3.2 水处理系统327

8.3.3 空气调节系统328

8.3.4 无人驾驶飞机329

参考文献331