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第1章 自动控制系统概论1

1.1 自动控制系统1

1.2 开环控制和闭环控制3

1.2.1 开环控制3

1.2.2 闭环控制4

1.3 控制系统的分类5

1.3.1 线性系统和非线性系统6

1.3.2 定常系统与时变系统6

1.3.3 连续系统与离散系统7

1.3.4 恒值系统、随动系统和程序系统7

1.3.5 单输入单输出系统与多输入多输出系统8

1.3.6 确定性系统与不确定性系统8

1.3.7 集中参数系统与分布参数系统8

1.3.8 几种先进控制理论介绍9

1.4 控制系统的组成及对控制系统性能的要求9

1.4.1 控制系统的组成9

1.4.2 对控制系统的性能要求10

1.5 控制理论发展简史11

1.6 本课程的特点与学习方法14

小结14

术语和概念14

控制与电气学科世界著名学者——麦克斯韦15

习题15

第2章 控制系统的数学模型18

2.1 控制系统数学模型概述18

2.1.1 数学模型的定义18

2.1.2 数学模型的简化性与分析准确性19

2.1.3 数学模型的分类19

2.1.4 控制系统的建模方法20

2.2 控制系统的时域数学模型21

2.2.1 控制系统微分方程的建立21

2.2.2 非线性微分方程的线性化24

2.3 数学基础——拉普拉斯变换28

2.3.1 拉普拉斯变换的定义28

2.3.2 典型函数的拉氏变换28

2.3.3 拉氏变换的基本性质32

2.3.4 拉氏反变换33

2.3.5 应用拉氏变换解线性微分方程35

2.4 控制系统的复域数学模型36

2.4.1 传递函数36

2.4.2 典型环节的传递函数39

2.4.3 电气网络的运算阻抗与传递函数42

2.5 控制系统的方框图和传递函数44

2.5.1 方框图的概念44

2.5.2 方框图的基本变换45

2.5.3 反馈系统的传递函数47

2.5.4 方框图的化简及其传递函数50

2.6 信号流图与梅森增益公式54

2.6.1 信号流图55

2.6.2 梅森增益公式56

2.7 相似原理59

小结61

术语和概念62

控制与电气学科世界著名学者——维纳62

习题63

第3章 线性系统的时域分析法67

3.1 典型输入信号及系统性能指标67

3.1.1 典型输入信号68

3.1.2 系统时域性能指标70

3.2 一阶系统的时域分析71

3.2.1 一阶系统的数学模型71

3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应72

3.2.3 一阶系统的单位脉冲响应73

3.2.4 一阶系统的单位斜坡响应74

3.2.5 三种响应之间的关系75

3.3 二阶系统的时域分析75

3.3.1 二阶系统的数学模型75

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应77

3.3.3 欠阻尼二阶系统的动态性能指标82

3.3.4 二阶系统的单位脉冲响应89

3.3.5 二阶系统的单位斜坡响应90

3.3.6 非零初始条件下的二阶系统响应92

3.4 高阶系统的时域分析93

3.4.1 三阶系统的单位阶跃响应93

3.4.2 高阶系统的单位阶跃响应95

3.4.3 闭环主导极点97

3.5 改善控制系统动态性能的方法99

3.5.1 速度反馈99

3.5.2 添加零点对系统暂态特性的影响101

3.6 线性控制系统的稳定性分析105

3.6.1 稳定的概念105

3.6.2 线性系统稳定的充要条件106

3.6.3 劳斯稳定判据107

3.6.4 赫尔维茨稳定判据111

3.7 线性控制系统的稳态性能分析112

3.7.1 控制系统误差与稳态误差113

3.7.2 控制系统型别114

3.7.3 终值定理法求稳态误差115

3.7.4 静态误差系数法求稳态误差117

3.7.5 扰动信号作用下的稳态误差121

3.7.6 动态误差系数法求动态误差122

3.8 减小或消除稳态误差的方法124

3.8.1 增大开环放大倍数125

3.8.2 增加串联积分环节125

3.8.3 复合控制125

小结127

术语和概念127

控制与电气学科世界著名学者——李雅普诺夫128

习题128

第4章 线性系统的根轨迹法132

4.1 控制系统的根轨迹132

4.2 绘制180°根轨迹的基本规则135

4.3 广义根轨迹147

4.3.1 参数根轨迹147

4.3.2 0°根轨迹149

4.4 闭环零、极点分布对系统性能的影响153

4.4.1 系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系153

4.4.2 根轨迹的稳定性和动态性能分析154

4.4.3 利用主导极点估算系统的性能指标157

4.5 添加开环零、极点对根轨迹的影响158

4.5.1 添加开环零点对根轨迹的影响158

4.5.2 添加开环极点对根轨迹的影响160

4.5.3 添加开环偶极子对根轨迹的影响161

小结163

术语和概念163

控制与电气学科世界著名学者——伊文思164

习题164

第5章 线性系统的频域分析法166

5.1 频率特性的基本概念和表示方法167

5.1.1 频率特性的定义167

5.1.2 频率特性的几何表示169

5.2 系统开环奈奎斯特图的绘制170

5.2.1 典型环节170

5.2.2 最小相位环节奈奎斯特图的绘制171

5.2.3 开环奈奎斯特图的绘制173

5.3 系统开环对数频率特性图的绘制176

5.3.1 典型环节的对数频率特性图176

5.3.2 系统开环对数频率特性图的绘制181

5.3.3 系统的类型与对数幅频特性曲线低频渐近线斜率的对应关系184

5.4 最小相位系统185

5.5 传递函数的频域实验确定186

5.6 奈奎斯特稳定判据188

5.6.1 幅角定理188

5.6.2 奈奎斯特稳定性判据192

5.6.3 对数频率稳定判据196

5.7 控制系统的相对稳定性198

5.7.1 相角裕度198

5.7.2 幅值裕度199

5.8 系统闭环频率特性与时域性能指标的关系201

5.8.1 闭环频率特性与频域性能指标201

5.8.2 二阶系统闭环频域指标与时域指标的关系203

5.9 系统开环频率特性与时域性能指标的关系204

5.9.1 开环幅频特性“三频段”与闭环系统性能的关系204

5.9.2 二阶系统开环频率特性与时域性能指标的关系207

5.9.3 高阶系统频率特性与时域性能指标的关系209

小结209

术语和概念210

控制与电气学科世界著名学者——奈奎斯特211

习题211

第6章 线性系统的综合与校正215

6.1 概述215

6.1.1 系统校正的一般概念215

6.1.2 校正方式216

6.1.3 校正方法217

6.2 基本控制规律219

6.2.1 比例（P）控制规律219

6.2.2 比例-微分（PD）控制规律220

6.2.3 积分（I）控制规律221

6.2.4 比例-积分（PI）控制规律221

6.2.5 比例-积分-微分（PID）控制规律222

6.3 串联校正223

6.3.1 串联超前校正（PD）223

6.3.2 串联滞后校正（PI）228

6.3.3 串联滞后-超前校正（PID）232

6.3.4 串联校正方式比较236

6.4 串联校正综合法236

6.4.1 期望频率特性法237

6.4.2 按最佳典型系统校正方法239

6.5 反馈校正243

6.5.1 反馈校正功能243

6.5.2 用频率法分析反馈校正系统245

小结251

术语和概念251

控制与电气学科世界著名学者——伯德252

习题252

第7章 非线性系统的分析255

7.1 非线性系统概述255

7.1.1 典型的非线性特性255

7.1.2 非线性系统的特点258

7.2 描述函数法260

7.2.1 描述函数法的基本概念260

7.2.2 典型非线性特性的描述函数261

7.2.3 组合非线性特性的描述函数265

7.2.4 非线性系统的描述函数分析269

7.3 相平面分析法277

7.3.1 相平面和相轨迹277

7.3.2 极限环279

7.3.3 线性系统的相轨迹281

7.3.4 相轨迹的绘制方法285

7.3.5 由相平面图求时间解289

7.3.6 非线性系统相平面分区线性化分析方法291

小结296

术语和概念297

控制与电气学科世界著名学者——钱学森297

习题297

第8章 线性离散系统的分析301

8.1 概述301

8.2 采样过程和采样定理302

8.2.1 采样过程302

8.2.2 采样定理304

8.2.3 采样周期的选取305

8.3 信号的复现306

8.4 差分方程307

8.4.1 差分方程的定义307

8.4.2 差分方程的解法308

8.5 Z变换308

8.5.1 Z变换的定义309

8.5.2 Z变换的方法309

8.5.3 Z变换的性质311

8.5.4 Z反变换313

8.5.5 用Z变换法求解差分方程315

8.6 脉冲传递函数315

8.6.1 脉冲传递函数的定义316

8.6.2 开环系统脉冲传递函数317

8.6.3 闭环系统脉冲传递函数319

8.7 采样系统的性能分析322

8.7.1 稳定性分析322

8.7.2 稳态性能分析328

8.7.3 动态性能分析331

8.7.4 离散系统极点分布与动态响应的关系332

8.7.5 采样系统的频域分析334

小结336

术语和概念337

控制与电气学科世界著名学者——香农337

习题338

第9章 Matlab语言与自动控制系统设计340

9.1 Matlab语言简介340

9.1.1 Matlab的数值运算基础340

9.1.2 矩阵及矩阵函数341

9.1.3 Matlab的绘图功能343

9.2 自动控制系统设计345

9.2.1 时域分析命令345

9.2.2 频率域命令348

9.2.3 根轨迹法命令351

9.2.4 传递函数的常用命令353

9.2.5 控制系统分析举例355

小结361

参考文献362