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第1章 绪论1

1.1引言1

1.1.1自动控制理论的发展1

1.1.2人工控制与自动控制1

1.1.3开环控制与闭环控制2

1.1.4闭环控制系统的基本组成和术语定义4

1.2自动控制系统的分类4

1.2.1线性控制系统和非线性控制系统5

1.2.2恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统5

1.2.3连续控制系统和离散控制系统6

1.3对自动控制系统的基本性能要求6

1.3.1稳定性7

1.3.2快速性7

1.3.3准确性8

1.4 MATLAB-Simulink介绍8

1.5本章小结8

思考题与习题9

第2章 控制系统的数学模型10

2.1微分方程10

2.1.1系统微分方程的建立10

2.1.2建立微分方程的步骤11

2.2传递函数13

2.2.1传递函数的定义13

2.2.2传递函数的性质14

2.3典型环节的传递函数15

2.3.1比例环节15

2.3.2积分环节15

2.3.3惯性环节16

2.3.4微分环节16

2.3.5振荡环节17

2.3.6延迟环节17

2.4动态结构图的等效变换17

2.4.1动态结构图的建立17

2.4.2动态结构图的等效变换法则19

2.4.3动态结构图的等效变换举例21

2.5自动控制系统的传递函数23

2.5.1闭环控制系统的开环传递函数23

2.5.2闭环传递函数23

2.6信号流图25

2.6.1信号流图的术语和性质25

2.6.2信号流图的绘制26

2.7梅逊公式27

2.7.1梅逊公式的定义28

2.7.2应用梅逊公式求系统闭环传递函数举例28

2.8利用MATLAB建立控制系统模型30

2.8.1时间常数形式的传递函数模型表示30

2.8.2零极点形式的传递函数模型表示31

2.8.3模型的转换和连接31

2.9案例分析与设计32

2.10本章小结36

思考题与习题36

第3章 时域分析法39

3.1典型输入信号和时域性能指标39

3.1.1典型输入信号39

3.1.2阶跃响应的动态性能指标40

3.1.3稳态性能指标41

3.2一阶系统的时域分析41

3.2.1单位阶跃响应41

3.2.2单位脉冲响应42

3.2.3单位斜坡响应42

3.3二阶系统的时域分析43

3.3.1典型的二阶系统43

3.3.2二阶系统的单位阶跃响应44

3.3.3系统的暂态性能指标45

3.4高阶系统的时域分析49

3.5系统的稳定性分析50

3.5.1系统稳定性的充分必要条件50

3.5.2劳斯-赫尔维茨稳定判据51

3.5.3代数稳定判据的应用54

3.6稳态误差计算57

3.6.1稳态误差的定义和计算57

3.6.2给定输入下的稳态误差58

3.6.3扰动输入作用下的稳态误差61

3.6.4减小稳态误差的方法63

3.7应用MATLAB求控制系统的时域响应64

3.8案例分析与设计67

3.9本章小结68

思考题与习题69

第4章 根轨迹分析法71

4.1根轨迹的基本概念71

4.1.1根轨迹的概念71

4.1.2根轨迹方程及绘制条件72

4.2绘制根轨迹的基本规则73

4.2.1基本规则73

4.2.2绘制根轨迹举例79

4.3广义根轨迹81

4.3.1参数根轨迹81

4.3.2零度根轨迹82

4.4应用MATLAB绘制控制系统的根轨迹83

4.5案例分析与设计85

4.6本章小结87

思考题与习题88

第5章 频率分析法90

5.1频率特性的基本概念90

5.1.1频率响应90

5.1.2频率特性91

5.1.3频率特性与传递函数的关系92

5.1.4频率特性的表示方法92

5.2对数坐标图92

5.2.1对数坐标图的特点92

5.2.2典型环节的对数坐标图94

5.2.3开环传递函数的对数坐标图101

5.2.4系统类型与对数幅频特性曲线之间的关系103

5.3幅相频率特性图107

5.3.1典型环节的奈奎斯特图107

5.3.2开环传递函数概略奈奎斯特图的绘制111

5.4奈奎斯特稳定性判据114

5.4.1幅角原理114

5.4.2开环传递函数虚轴上无极点时的奈奎斯特稳定性判据115

5.4.3开环传递函数虚轴上存在极点时的奈奎斯特稳定性判据119

5.5系统的相对稳定性121

5.5.1增益裕量122

5.5.2相位裕度122

5.6系统的闭环频率特性123

5.7系统的频域性能指标和时域性能指标的关系124

5.7.1开环频域指标与时域指标的关系124

5.7.2闭环频域指标与时域指标的关系127

5.7.3开环对数频率特性曲线与系统时域性能指标之间的关系128

5.8应用MATLAB绘制系统的频率特性曲线129

5.9案例分析与设计131

5.10本章小结134

思考题与习题134

第6章 控制系统的校正138

6.1系统校正的基本概念138

6.1.1性能指标138

6.1.2系统的校正138

6.2常用控制规律139

6.2.1 P控制规律139

6.2.2 PD控制规律140

6.2.3 PI控制规律141

6.2.4 PID控制规律141

6.3基于频率法的串联校正设计142

6.3.1串联超前校正142

6.3.2串联滞后校正146

6.3.3串联滞后-超前校正149

6.4按期望特性进行串联校正151

6.5应用MATLAB进行校正设计153

6.6案例分析与设计157

6.7本章小结160

思考题与习题161

第7章 离散控制系统162

7.1离散控制系统的基本概念162

7.2信号的采样与复现163

7.2.1香农采样定理163

7.2.2零阶保持器的原理164

7.3离散控制系统的数学模型166

7.3.1差分方程166

7.3.2 z变换与z反变换167

7.3.3脉冲传递函数的定义170

7.3.4开环系统的脉冲传递函数171

7.3.5闭环系统的脉冲传递函数173

7.4离散系统的性能分析176

7.4.1离散系统的稳定性条件和代数判据176

7.4.2离散系统的稳态误差179

7.4.3离散系统的动态性能181

7.5应用MATLAB进行离散系统分析183

7.6案例分析与设计185

7.7本章小结186

思考题与习题187

第8章 现代控制理论初步189

8.1控制系统的状态空间描述189

8.1.1状态变量和状态空间方程189

8.1.2线性定常连续系统状态空间表达式的建立190

8.1.3状态空间表达式的线性变换192

8.1.4传递函数与状态方程之间的转换192

8.1.5状态图197

8.2线性定常系统状态方程的解198

8.2.1线性系统状态方程的解198

8.2.2状态转移矩阵的计算199

8.3线性定常系统的能控性和能观性200

8.3.1能控性201

8.3.2能观性201

8.3.3能控、能观标准型的线性变换202

8.3.4对偶原理205

8.4线性定常系统的极点配置205

8.4.1状态反馈205

8.4.2状态反馈极点配置定理206

8.4.3求状态反馈矩阵K的待定系数法206

8.4.4求状态反馈矩阵K的能控标准型法207

8.5状态观测器209

8.5.1全维状态观测器209

8.5.2配置极点求观测器增益矩阵的待定系数法211

8.5.3配置极点求观测器增益矩阵的能观标准型法212

8.5.4带状态观测器的状态反馈系统213

8.6李雅普诺夫稳定性分析215

8.6.1李雅普诺夫关于稳定性的定义215

8.6.2李雅普诺夫判断系统稳定性的方法217

8.6.3线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析218

8.7案例分析与设计219

8.8本章小结222

思考题与习题223

第9章 非线性系统分析226

9.1控制系统的非线性特性226

9.1.1典型的非线性特性226

9.1.2非线性系统的特性228

9.1.3非线性控制系统的分析研究方法229

9.2相平面法229

9.2.1相轨迹的基本概念230

9.2.2相轨迹的基本性质231

9.2.3相轨迹的绘制231

9.2.4由相平面图求时间解234

9.2.5奇点和极限环234

9.2.6非线性控制系统的相平面分析236

9.3描述函数法238

9.3.1描述函数的基本概念238

9.3.2典型非线性特性的描述函数239

9.3.3非线性控制系统的描述函数分析240

9.4案例分析与设计242

9.5本章小结243

思考题与习题243

附录245

附录A常见拉普拉斯变换及z变换表245

附录B控制理论中常用的中英文词组246

参考文献249