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第1章　引论1

1.1 自动控制系统概述1

1.1.1 自动控制系统的一般概念1

1.1.2　开环控制2

1.1.3　闭环控制3

1.1.4　闭环控制系统的基本组成5

1.1.5 自动控制理论的发展5

1.2 自动控制系统的类型6

1.2.1　按信号流向划分6

1.2.2　按输入信号变化规律划分6

1.2.3　线性系统和非线性系统6

1.2.4　定常系统和时变系统7

1.2.5　连续系统和离散系统8

1.2.6　单输入单输出系统与多输入多输出系统8

1.3　控制系统性能的基本要求和本课程的主要任务8

1.3.1　控制系统性能的基本要求8

1.3.2　本课程的主要任务9

1.4 自动控制系统实例10

1.4.1　烘烤炉温度控制系统10

1.4.2　传动控制系统11

本章小结11

习题12

第2章　控制系统的数学模型14

2.1　线性系统的时域数学模型——微分方程14

2.1.1　列写系统微分方程的一般方法14

2.1.2　线性系统的特点16

2.1.3　线性定常系统微分方程的求解16

2.1.4　运动的模态17

2.2　非线性数学模型的线性化18

2.3　线性系统的复域数学模型——传递函数19

2.3.1　传递函数的定义19

2.3.2　传递函数的基本性质20

2.3.3　传递函数的常用表达形式20

2.3.4　典型环节的传递函数21

2.4　控制系统的结构图22

2.4.1 系统结构图的组成和绘制23

2.4.2　系统结构图的等效变换和简化25

2.5　信号流图和梅森增益公式29

2.5.1　信号流图的组成及性质29

2.5.2　根据微分方程绘制信号流图31

2.5.3　根据系统结构图绘制信号流图31

2.5.4　梅森增益公式31

2.6 MATLAB中数学模型的表示33

2.6.1　传递函数33

2.6.2　控制系统的结构图模型34

2.6.3　控制系统的零极点模型34

本章小结34

习题35

第3章　控制系统的时域分析38

3.1 系统的时域响应及其性能指标38

3.1.1　典型输入信号38

3.1.2　时域响应过程41

3.1.3　性能指标41

3.2　一阶系统的时域响应43

3.2.1　一阶系统的数学模型和结构图43

3.2.2　一阶系统的单位阶跃响应43

3.2.3　一阶系统的单位脉冲响应44

3.2.4　一阶系统的单位斜坡响应44

3.3　二阶系统的时域响应45

3.3.1　二阶系统的数学模型和结构图46

3.3.2　二阶系统的单位阶跃响应46

3.3.3　二阶系统阶跃响应的性能指标50

3.4　高阶系统的时域响应52

3.4.1　高阶系统的时域响应分析52

3.4.2　闭环主导极点53

3.5　线性系统的稳定性分析55

3.5.1　稳定性的概念及定义55

3.5.2　线性定常系统稳定的充分必要条件55

3.5.3　线性系统的代数判据——劳斯稳定判据56

3.5.4　控制系统的相对稳定性60

3.6　控制系统的稳态误差61

3.6.1　关于稳态误差的基本概念61

3.6.2　系统类型62

3.6.3　给定信号作用下的稳态误差（静态误差系数法）63

3.6.4　扰动信号作用下的稳态误差66

3.6.5　提高系统控制精度的措施68

3.7 MATLAB在时域分析中的应用69

3.7.1 用MATLAB求系统的时域响应69

3.7.2　任意函数作用下系统的响应71

3.7.3　LTI观测器72

3.7.4　Simulink中的时域响应分析举例74

本章小结77

习题77

第4章　根轨迹法80

4.1　根轨迹的基本概念80

4.1.1　根轨迹的定义80

4.1.2　根轨迹方程及其幅值和相角条件81

4.2　根轨迹绘制的基本规则及其应用82

4.2.1　绘制根轨迹的基本规则83

4.2.2　根轨迹绘制例题94

4.3　广义根轨迹97

4.3.1　参量根轨迹97

4.3.2　零度根轨迹99

4.4　控制系统的根轨迹分析法102

4.4.1　根轨迹与稳定性分析102

4.4.2　根轨迹与动态性能分析103

4.4.3　增加开环零、极点对控制系统性能的影响104

4.5　MATLAB在根轨迹绘制中的应用107

本章小结108

习题109

第5章　线性系统的频域分析111

5.1　频率特性111

5.1.1　频率特性的基本概念111

5.1.2　频率特性的求取115

5.1.3　频率特性的图示法116

5.2　典型环节的频率特性117

5.2.1 比例环节117

5.2.2　积分环节118

5.2.3　纯微分环节119

5.2.4　惯性环节119

5.2.5　一阶微分环节121

5.2.6　振荡环节122

5.2.7　二阶微分环节124

5.2.8　延迟环节125

5.3　控制系统的开环频率特性125

5.3.1　开环奈氏图125

5.3.2　开环Bode图128

5.3.3　最小相位系统和非最小相位系统130

5.3.4　延迟系统131

5.3.5　传递函数的实验法确定131

5.4　奈奎斯特稳定判据134

5.4.1 引言134

5.4.2　幅角原理135

5.4.3　奈氏判据137

5.4.4　奈氏判据中N的简易判断方法139

5.5　稳定裕量140

5.5.1　相对稳定性140

5.5.2　两个重要频率141

5.5.3　两个稳定裕量指标142

5.5.4　稳定裕量在Bode图中的表示144

5.5.5　相对稳定性与对数幅频特性曲线中频段斜率的关系144

5.5.6　稳定裕量指标的求解145

5.6　频率特性与系统性能的关系147

5.6.1 开环对数幅频特性曲线与系统性能的关系147

5.6.2　开环频域指标与时域指标的关系149

5.6.3　开环频域指标和闭环频域指标的关系150

5.7　例题精解151

5.8 MATLAB频域特性分析155

5.8.1 用MATLAB绘制奈氏图155

5.8.2 用MATLAB绘制Bode图156

本章小结157

习题158

第6章　控制系统的校正163

6.1　校正的基本概念和方法163

6.1.1　校正的基本概念163

6.1.2　常用的校正方法164

6.1.3　校正的性能指标165

6.1.4　校正装置及校正目标166

6.2　串联超前校正167

6.2.1　超前校正装置及特点167

6.2.2　超前校正装置的设计169

6.3　串联滞后校正172

6.3.1　滞后校正装置及特点172

6.3.2　滞后校正装置的设计173

6.4　串联滞后－超前校正177

6.4.1　滞后－超前校正装置及特点177

6.4.2　滞后－超前校正装置的设计178

6.5　PID控制器180

6.5.1　比例－积分（PI）控制181

6.5.2　比例－微分（PD）控制181

6.5.3　比例－积分－微分（PID）控制182

6.5.4　PID控制器的实现183

6.6　期望频率特性法校正184

6.6.1　系统固有部分的简化处理184

6.6.2　期望开环对数幅频特性曲线的绘制185

6.6.3　期望特性法串联校正186

6.7　反馈校正188

6.7.1　反馈校正的原理188

6.7.2　反馈校正的设计189

6.7.3　反馈校正的其他应用191

6.8　复合校正192

6.8.1　复合校正的基本概念192

6.8.2　按扰动补偿的复合校正192

6.8.3　按输入补偿的复合校正193

6.9　例题精解194

6.10 基于MATLAB和Simulink的系统校正198

6.10.1　串联超前校正198

6.10.2　串联滞后校正200

6.10.3　利用Simulink工具箱实现系统校正203

本章小结204

习题206

第7章　非线性系统分析210

7.1　引言210

7.2　典型非线性特性211

7.2.1　常见的几种典型非线性特性211

7.2.2　非线性系统的特征215

7.2.3　非线性系统的分析方法216

7.3　描述函数法217

7.3.1　描述函数的定义及求法217

7.3.2　典型非线性特性的描述函数219

7.3.3　非线性系统的稳定性分析225

7.3.4　自激振荡的分析与计算226

7.4　相平面法229

7.4.1　相平面法的基本概念229

7.4.2　相轨迹图的绘制230

7.4.3　奇点和奇线232

7.4.4　用相平面法分析非线性系统235

7.5 MATLAB在非线性系统分析中的应用238

本章小结245

习题246

第8章　离散控制系统250

8.1　引言250

8.1.1　离散控制系统的基本概念250

8.1.2　离散控制系统的特点251

8.2　信号的采样与复现251

8.2.1　采样过程251

8.2.2　采样定理252

8.2.3　零阶保持器254

8.3　z变换256

8.3.1　z变换的定义256

8.3.2　z变换的性质259

8.3.3　z反变换262

8.4　离散控制系统的数学模型264

8.4.1 线性常系数差分方程及求解264

8.4.2　脉冲传递函数266

8.4.3　开环脉冲传递函数268

8.4.4　闭环系统脉冲传递函数269

8.5　离散控制系统的性能分析272

8.5.1　稳定性分析与判断272

8.5.2　稳态误差及其计算274

8.5.3 闭环极点与瞬态响应的关系276

8.5.4　动态性能分析278

8.6 MATLAB在离散控制系统分析中的应用280

本章小结281

习题281

附录A　常用函数的z变换和拉普拉斯变换284

附录B MATLAB和Simulink简介285

附录C　控制理论中常用术语的中英文对照表288

参考文献299