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第1章 自动控制系统的基本概念1

1.1 自动控制系统的定义1

1.2 自动控制系统的分类4

1.2.1 运动与过程控制系统4

1.2.2 开环与闭环控制系统4

1.2.3 定值、随动与程序控制系统6

1.2.4 线性与非线性控制系统7

1.2.5 连续与离散控制系统8

1.3 自动控制系统的性能评价8

1.4 自动控制理论的发展概况10

小结13

习题13

第2章 控制系统的建模15

2.1 控制系统微分方程的建立16

2.1.1 简单系统微分方程的建立16

2.1.2 复杂系统微分方程的建立18

2.2 非线性数学模型的线性化21

2.3 传递函数24

2.3.1 传递函数的定义24

2.3.2 传递函数的特点25

2.3.3 传递函数与理想单位脉冲响应的关系26

2.3.4 系统典型环节的传递函数28

2.4 系统框图与传递函数33

2.4.1 系统框图的组成33

2.4.2 系统框图的建立33

2.4.3 系统框图的等效变换35

2.4.4 控制系统的传递函数40

2.5 信号流图和梅逊公式的应用42

2.5.1 信号流图的概念42

2.5.2 信号流图的术语和性质43

2.5.3 梅逊公式及其应用45

2.6 利用MATLAB建立数学模型48

小结51

习题51

第3章 控制系统的时域分析法54

3.1 控制系统的时域评价54

3.1.1 典型输入信号54

3.1.2 控制系统时域性能指标57

3.2 一阶系统的时域分析59

3.2.1 一阶系统的数学模型59

3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应59

3.2.3 一阶系统的单位斜坡响应61

3.2.4 一阶系统的单位抛物线响应61

3.2.5 一阶系统的单位脉冲响应62

3.3 二阶系统的时域分析62

3.3.1 二阶系统的数学模型62

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应64

3.3.3 欠阻尼二阶系统的性能分析67

3.3.4 二阶系统的单位脉冲响应71

3.3.5 二阶工程最佳参数72

3.4 高阶系统的时域分析73

3.4.1 高阶系统的单位阶跃响应74

3.4.2 闭环主导极点75

3.5 线性系统的稳定性分析75

3.5.1 稳定性的基本概念76

3.5.2 线性系统稳定的充分必要条件77

3.5.3 线性系统稳定的必要条件78

3.5.4 劳斯稳定判据78

3.5.5 赫尔维兹稳定判据81

3.5.6 劳斯判据的应用82

3.6 控制系统的稳态误差84

3.6.1 稳态误差的定义84

3.6.2 系统类型与输入作用下的稳态误差85

3.6.3 扰动作用下的稳态误差88

3.6.4 提高系统稳态精度的方法90

3.7 MATLAB在时域分析法中的应用90

3.7.1 单位脉冲响应和单位阶跃响应90

3.7.2 单位斜坡响应92

3.7.3 任意函数作用下系统的响应93

3.7.4 Simulink中时域响应举例95

小结96

习题96

第4章 控制系统的根轨迹法99

4.1 根轨迹的介绍99

4.1.1 根轨迹的基本概念99

4.1.2 根轨迹与系统性能100

4.1.3 根轨迹的幅值条件和相角条件101

4.1.4 根轨迹增益与系统开环增益的关系102

4.2 绘制根轨迹的基本法则103

4.3 广义根轨迹的绘制114

4.3.1 参量根轨迹114

4.3.2 零度根轨迹117

4.4 用根轨迹分析闭环控制系统的性能120

4.4.1 用根轨迹分析系统的稳定性120

4.4.2 用根轨迹分析系统的动态性能121

4.4.3 用根轨迹分析系统的稳态性能122

4.4.4 附加开环零、极点的作用124

4.5 MATLAB在根轨迹法中的应用126

小结131

习题131

第5章 控制系统的频域响应法135

5.1 频率特性135

5.1.1 频率特性的基本概念135

5.1.2 由传递函数确定系统的频域响应137

5.2 对数坐标图139

5.2.1 典型因子的伯德图140

5.2.2 绘制开环系统伯德图的一般步骤148

5.2.3 最小相位系统与非最小相位系统149

5.2.4 系统的类型与对数幅频特性曲线低频渐近线的对应关系151

5.3 极坐标图153

5.3.1 典型因子的乃氏图153

5.3.2 极坐标图的一般形状157

5.4 频域稳定判据160

5.4.1 幅角原理160

5.4.2 乃奎斯特稳定判据162

5.4.3 乃奎斯特判据应用于滞后系统168

5.5 相对稳定性分析170

5.5.1 增益裕量171

5.5.2 相位裕量171

5.5.3 相对稳定性与对数幅频特性中频段斜率的关系173

5.6 频域性能指标与时域性能指标间的关系175

5.6.1 闭环频域特性及其特征量175

5.6.2 二阶系统时域响应与频域响应的关系177

5.7 传递函数的实验确定181

5.8 MATLAB在频域响应法中的应用182

5.8.1 用MATLAB绘制伯德图183

5.8.2 用MATLAB绘制乃奎斯特图186

小结190

习题191

第6章 控制系统的校正195

6.1 系统的设计与校正问题195

6.1.1 被控对象195

6.1.2 性能指标195

6.1.3 系统带宽的确定197

6.1.4 系统校正方式198

6.2 线性系统的基本控制规律199

6.2.1 比例控制规律200

6.2.2 比例-微分控制规律200

6.2.3 积分控制规律200

6.2.4 比例-积分控制规律201

6.2.5 比例-积分-微分控制规律201

6.3 串联校正202

6.3.1 超前校正203

6.3.2 滞后校正208

6.3.3 滞后-超前校正214

6.4 反馈校正220

6.4.1 利用反馈校正改变局部结构和参数221

6.4.2 利用反馈校正取代局部结构222

6.5 复合校正223

6.5.1 前馈校正与反馈控制组成的复合控制223

6.5.2 扰动补偿校正与反馈控制组成的复合控制225

6.6 MATLAB在串联校正中的应用226

小结233

习题234

第7章 非线性控制系统236

7.1 非线性控制系统概述236

7.1.1 研究非线性控制理论的意义236

7.1.2 非线性系统的特征238

7.1.3 非线性系统的分析与设计方法240

7.2 常见非线性及其对系统运动的影响241

7.2.1 非线性特性的等效增益241

7.2.2 常见非线性因素对系统运动的影响243

7.3 描述函数245

7.3.1 描述函数的基本概念246

7.3.2 非线性元件描述函数的举例247

7.3.3 用描述函数法分析非线性控制系统252

7.4 相平面法255

7.4.1 相平面的基本概念255

7.4.2 线性二阶系统的相轨迹256

7.4.3 绘制相平面图的等倾斜线法258

7.4.4 非线性系统的相平面分析260

7.5 MATLAB在相平面分析中的应用265

小结269

习题270

第8章 离散控制系统272

8.1 离散控制系统的概念272

8.2 信号的采样与复现275

8.2.1 采样过程275

8.2.2 采样定理276

8.2.3 零阶保持器278

8.3 Z变换与Z反变换280

8.3.1 Z变换280

8.3.2 Z变换的基本性质283

8.3.3 Z反变换286

8.4 脉冲传递函数288

8.4.1 串联环节的脉冲传递函数289

8.4.2 闭环系统的脉冲传递函数291

8.5 差分方程295

8.5.1 差分的定义295

8.5.2 差分方程概述295

8.5.3 用Z变换法求解差分方程296

8.5.4 用迭代法求解差分方程297

8.6 离散控制系统的性能分析299

8.6.1 离散控制系统的稳定性分析299

8.6.2 闭环极点与瞬态响应的关系302

8.6.3 离散系统的稳态误差305

8.7 MATLAB在离散控制系统中的应用307

8.7.1 利用Simulink分析和设计离散控制系统307

8.7.2 利用MATLAB函数分析和设计离散控制系统312

8.7.3 利用SISO分析工具分析和设计离散控制系统312

小结314

习题314

参考文献317