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第1章 自动控制的基本概念1

1.1 概述1

1.2 自动控制的基本原理2

1.2.1 自动控制系统举例2

1.2.2 自动控制系统的构成4

1.3 控制系统的控制方式5

1.3.1 开环控制5

1.3.2 闭环控制5

1.3.3 复合控制6

1.4 控制系统的分类6

1.4.1 按输入信号的变化规律分6

1.4.2 按系统传输的信号特征分7

1.4.3 按系统各环节输入-输出关系的特征分7

1.4.4 按系统参数的变化特征分7

1.5 对控制系统的性能要求8

1.5.1 稳定性能8

1.5.2 动态性能8

1.5.3 稳态性能8

习题9

第2章 控制系统数学模型的建立11

2.1 控制系统微分方程的建立11

2.1.1 典型控制系统举例12

2.1.2 线性系统的重要性质14

2.1.3 线性系统微分方程的通用形式15

2.1.4 非线性微分方程的线性化15

2.2 线性系统的传递函数17

2.2.1 传递函数的定义17

2.2.2 传递函数的性质18

2.2.3 典型环节及其传递函数19

2.3 控制系统结构图24

2.3.1 结构图的构成要素24

2.3.2 控制系统结构图的建立25

2.3.3 结构图的等效变换27

2.4 控制系统的信号流图30

2.4.1 信号流图30

2.4.2 梅森增益公式31

2.5 闭环控制系统的传递函数32

2.5.1 闭环系统的开环传递函数32

2.5.2 系统的闭环传递函数32

2.5.3 闭环系统的误差传递函数33

2.5.4 闭环系统的特征方程34

习题35

第3章 时域分析法39

3.1 典型输入信号39

3.2 瞬态响应分析41

3.2.1 一阶系统的瞬态响应41

3.2.2 二阶系统的瞬态响应42

3.2.3 时域性能指标45

3.2.4 二阶系统的动态性能指标46

3.2.5 二阶系统性能的改善48

3.2.6 高阶系统的近似分析49

3.3 稳定性分析50

3.3.1 稳定性的基本概念50

3.3.2 线性系统稳定的充分必要条件51

3.3.3 劳斯判据51

3.4 稳态误差分析55

3.4.1 稳态误差的概念55

3.4.2 稳态误差的计算56

3.4.3 减小或消除稳态误差的措施61

习题63

第4章 根轨迹分析法65

4.1 根轨迹的概念65

4.1.1 根轨迹65

4.1.2 根轨迹方程66

4.2 根轨迹的绘制68

4.2.1 绘制根轨迹的基本规则68

4.2.2 绘制根轨迹举例75

4.3 广义根轨迹的绘制77

4.3.1 参变量根轨迹的绘制77

4.3.2 正反馈系统轨迹的绘制80

4.4 控制系统的根轨迹分析81

4.4.1 增加开环极点对控制系统的影响81

4.4.2 增加开环零点对控制系统的影响82

4.4.3 闭环极点的位置与系统性能的关系83

4.4.4 用根轨迹分析系统的动态性能83

习题85

第5章 频域分析法87

5.1 频率特性87

5.1.1 频率特性的基本概念87

5.1.2 频率特性的求取88

5.2 频率特性的图示方法90

5.2.1 极坐标图90

5.2.2 对数坐标图95

5.3 频域稳定性判据101

5.3.1 开环频率特性与闭环特征方程的关系101

5.3.2 幅角原理102

5.3.3 奈奎斯特判据103

5.3.4 对数频率稳定判据106

5.4 系统的稳定裕度107

5.4.1 相位裕度107

5.4.2 幅值裕度108

5.5 频域性能指标与瞬态性能指标之间的关系109

5.5.1 开环频域性能指标与瞬态性能指标之间的关系109

5.5.2 闭环频域性能指标与瞬态性能指标之间的关系111

习题112

第6章 线性控制系统的校正115

6.1 系统的性能指标与校正方式115

6.1.1 系统的性能指标115

6.1.2 校正方式115

6.2 常用校正装置及其特性116

6.2.1 无源校正装置116

6.2.2 有源校正装置120

6.3 串联校正121

6.3.1 校正方法122

6.3.2 串联超前校正122

6.3.3 串联滞后校正125

6.3.4 串联滞后-超前校正126

6.3.5 PID校正128

习题130

第7章 离散控制系统132

7.1 离散控制系统的基本结构132

7.2 信号采样过程与采样定理133

7.2.1 信号的采样133

7.2.2 采样定理134

7.2.3 信号的恢复135

7.3 Z变换理论137

7.3.1 Z变换定义137

7.3.2 Z变换的性质137

7.3.3 Z变换方法138

7.3.4 Z反变换方法141

7.4 离散控制系统的数学描述143

7.4.1 差分的定义143

7.4.2 差分方程144

7.4.3 差分方程的解法144

7.4.4 脉冲传递函数145

7.5 离散控制系统的分析150

7.5.1 稳定性分析150

7.5.2 稳态误差153

7.5.3 瞬态响应156

7.6 离散系统的数字控制器设计157

7.6.1 数字控制器的脉冲传递函数157

7.6.2 最少拍设计158

习题160

第8章 非线性控制系统163

8.1 概述163

8.2 典型非线性特性与特点164

8.2.1 典型非线性特性164

8.2.2 非线性系统的特点165

8.3 相平面分析法166

8.3.1 相平面法的概念167

8.3.2 相轨迹的绘制方法167

8.3.3 相轨迹的特点170

8.3.4 由相轨迹求时间响应曲线170

8.3.5 奇点和极限环171

8.3.6 相平面分析举例174

8.4 描述函数分析法179

8.4.1 描述函数的基本思想179

8.4.2 描述函数法的表示式179

8.4.3 典型非线性元件的描述函数180

8.4.4 用描述函数法分析非线性系统186

习题191

第9章 应用MATLAB的控制系统分析193

9.1 应用MATLAB建立控制系统数学模型193

9.1.1 控制系统数学模型的建立与转换193

9.1.2 各系统模型连接后的等效模型195

9.1.3 应用Simulink求控制系统的传递函数195

9.2 应用MATLAB进行控制系统时域分析196

9.2.1 绘制系统的响应曲线与读取动态性能指标196

9.2.2 系统的稳定性分析198

9.2.3 系统的稳态误差分析199

9.3 应用MATLAB绘制系统的根轨迹200

9.4 应用MATLAB进行控制系统频域分析202

9.4.1 对数坐标图的绘制202

9.4.2 极坐标图的绘制204

9.5 应用MATLAB进行线性系统校正204

9.5.1 应用MATLAB程序进行系统校正205

9.5.2 Simulink环境下的系统设计和校正206

9.6 MATLAB在离散控制系统中的应用207

9.6.1 连续系统的离散化207

9.6.2 离散控制系统的稳定性分析208

9.6.3 离散控制系统的最少拍设计211

9.7 MATLAB在非线性控制系统中的应用212

9.7.1 基于Simulink非线性控制系统的相平面分析212

9.7.2 利用MATLAB判断非线性系统的稳定性及自持振荡213

附录 部分习题参考答案215

参考文献221