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第1章 绪论1

1.1 自动控制系统的一般概念1

1.2 自动控制系统的分类4

1.2.1 开环系统和闭环系统4

1.2.2 定值、伺服和程序控制系统6

1.2.3 线性与非线性控制系统7

1.2.4 连续与离散控制系统7

1.3 自动控制理论的发展概况8

1.4 自动控制系统的性能要求10

本章小结11

习题11

第2章 控制系统的数学模型13

2.1 列写系统微分方程式的一般方法13

2.1.1 典型元件系统微分方程的建立14

2.1.2 控制系统微分方程的建立16

2.2 非线性数学模型的线性化20

2.3 传递函数23

2.3.1 传递函数的定义23

2.3.2 传递函数的基本性质26

2.3.3 控制系统的典型环节及传递函数27

2.4 框图和系统的传递函数33

2.4.1 框图的组成33

2.4.2 系统框图的建立34

2.4.3 框图的等效变换36

2.4.4 自动控制系统的传递函数40

2.5 信号流图和梅逊公式的应用44

2.5.1 信号流图的术语和性质45

2.5.2 梅逊增益公式47

2.6 Matlab在本章中的应用49

本章小结51

习题51

第3章 控制系统的时域分析法54

3.1 控制系统的时域性能指标54

3.1.1 典型输入信号54

3.1.2 时域性能指标57

3.2 一阶系统的时域响应59

3.2.1 一阶系统的数学模型59

3.2.2 单位阶跃响应60

3.2.3 单位斜坡响应61

3.2.4 单位脉冲响应62

3.2.5 单位加速度响应62

3.3 二阶系统的时域响应63

3.3.1 二阶系统的数学模型63

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应65

3.3.3 欠阻尼二阶系统的动态过程分析69

3.3.4 二阶系统的单位脉冲响应73

3.4 线性系统的稳定性分析74

3.4.1 系统稳定的充要条件74

3.4.2 系统稳定的必要条件76

3.4.3 劳斯稳定判据76

3.4.4 赫尔维兹判据80

3.5 控制系统的稳态误差81

3.5.1 稳态误差的定义82

3.5.2 系统类型83

3.5.3 扰动作用下的稳态误差87

3.5.4 提高系统稳态精度的方法88

3.6 Matlab在控制系统时域分析中的应用88

3.6.1 控制系统的传递函数88

3.6.2 控制系统的时域响应91

本章小结97

习题97

第4章 根轨迹法100

4.1 根轨迹法的基本概念100

4.1.1 根轨迹的概念100

4.1.2 根轨迹与系统性能102

4.1.3 根轨迹的幅值条件和相角条件102

4.2 绘制根轨迹的基本法则106

4.3 参量根轨迹的绘制119

4.4 非最小相位系统的根轨迹123

4.4.1 正反馈回路的根轨迹123

4.4.2 系统中含有非最小相位元件124

4.4.3 滞后系统的根轨迹125

4.5 用根轨迹分析控制系统126

4.5.1 根轨迹确定系统的有关参数126

4.5.2 指定K0时的闭环传递函数129

4.5.3 确定具有不指定阻尼比ζ的闭环极点和单位阶跃响应131

4.6 Matlab在本章中的应用132

本章小结137

习题138

第5章 频率响应法142

5.1 频率特性142

5.1.1 频率特性的基本概念142

5.1.2 由传递函数确定系统的频率特性144

5.2 对数坐标图147

5.2.1 典型因子的伯德图147

5.2.2 绘制开环系统伯德图的一般步骤156

5.2.3 最小相位系统与非最小相位系统158

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160

5.3 极坐标图162

5.3.1 典型因子的乃氏图162

5.3.2 极坐标图的一般形状167

5.4 乃奎斯特稳定判据170

5.4.1 辐角原理170

5.4.2 乃奎斯特稳定判据介绍172

5.4.3 乃氏判别应用于滞后系统179

5.5 相对稳定性分析181

5.5.1 增益裕量182

5.5.2 相位裕量182

5.5.3 相对稳定性与对数幅频特性中频段斜率的关系185

5.6 频域性能指标与时域性能指标间的关系187

5.6.1 闭环频率特性及其特征量188

5.6.2 二阶系统时域响应与频域响应的关系190

5.7 传递函数的实验确定194

5.8 Matlab在本章中的应用196

5.8.1 用Matlab绘制伯德图196

5.8.2 用Matlab绘制乃奎斯特图201

本章小结204

习题204

第6章 控制系统的校正209

6.1 引言209

6.1.1 受控对象209

6.1.2 性能指标210

6.1.3 系统带宽的确定210

6.1.4 系统校正211

6.1.5 基本控制规律213

6.2 串联校正216

6.2.1 超前校正216

6.2.2 滞后校正219

6.2.3 滞后—超前校正221

6.3 反馈校正224

6.3.1 利用反馈校正改变局部结构和参数225

6.3.2 利用反馈校正取代局部结构227

6.4 前置校正228

6.4.1 稳定与精度229

6.4.2 抗扰与跟踪232

6.5 根轨迹法在系统校正中的应用232

6.5.1 串联超前校正233

6.5.2 串联滞后校正235

6.6 Matlab在本章中的应用238

本章小结247

习题248

第7章 非线性控制系统251

7.1 非线性控制系统概述251

7.1.1 研究非线性控制理论的意义251

7.1.2 非线性系统的特征253

7.1.3 非线性系统的分析与设计方法256

7.2 常见非线性及其对系统运动的影响257

7.2.1 非线性特性的等效增益257

7.2.2 常见非线性因素对系统运动的影响259

7.3 非线性元件的描述函数262

7.3.1 描述函数的基本概念262

7.3.2 非线性元件描述函数的举例264

7.3.3 用描述函数法分析非线性控制系统270

7.4 非线性系统的相平面分析274

7.5 Matlab在本章中的应用281

本章小结286

习题286

第8章 离散控制系统289

8.1 引言289

8.2 信号的采样与复现292

8.2.1 采样过程292

8.2.2 采样定理294

8.2.3 零阶保持器296

8.3 z变换与z反变换298

8.3.1 z变换299

8.3.2 z变换的基本性质303

8.3.3 z反变换306

8.4 脉冲传递函数308

8.4.1 串联环节的脉冲传递函数309

8.4.2 闭环系统的脉冲传递函数311

8.5 差分方程317

8.5.1 差分的定义317

8.5.2 差分方程318

8.5.3 用z变换法求解差分方程319

8.5.4 用迭代法求解差分方程321

8.6 离散控制系统的性能分析322

8.6.1 离散控制系统的稳定性分析322

8.6.2 闭环极点与瞬态响应的关系326

8.6.3 离散系统的稳态误差330

8.7 Matlab在离散控制系统分析与设计中的应用332

8.7.1 利用Simulink分析和设计离散控制系统332

8.7.2 利用控制系统工具箱分析和设计离散控制系统338

8.7.3 利用SISO分析工具分析和设计离散控制系统338

本章小结340

习题340