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1控制系统导论1

1.1 自动控制的基本原理1

1.1.1 一个实例2

1.1.2 控制系统方框图2

1.2 自动控制系统的分类2

1.2.1 按信号的传递路径来分2

1.2.2 按系统输入信号的变化规律来分4

1.2.3 按系统传输信号的性质来分4

1.2.4 按描述系统的数学模型来分4

1.2.5 其他分类方法6

1.3 对控制系统的基本要求6

1.4 自动控制的发展简史7

1.4.1 经典控制理论阶段7

1.4.2 现代控制理论阶段8

1.4.3 大系统控制理论阶段8

1.4.4 智能控制阶段9

本章小结9

习题110

2控制系统数学模型12

2.1 导论12

2.2 控制系统的微分方程13

2.2.1 微分方程式的建立13

2.2.2 非线性方程的线性化19

2.3 控制系统的传递函数23

2.3.1 传递函数的概念23

2.3.2 传递函数的性质24

2.3.3 典型环节及其传递函数25

2.4 控制系统结构图与信号流图28

2.4.1 控制系统的结构图28

2.4.2 控制系统的信号流图36

2.4.3 控制系统的传递函数40

2.5 应用Matlab控制系统仿真42

2.5.1 举例43

2.5.2 传递函数44

2.5.3 结构图模型45

本章小结48

习题248

3控制系统的时域分析法53

3.1 二阶系统的瞬态响应及性能指标53

3.1.1 典型输入信号54

3.1.2 系统的性能指标55

3.1.3 瞬态响应分析56

3.1.4 线性定常系统的重要特性62

3.2 增加零极点对二阶系统响应的影响63

3.3 反馈控制系统的稳态误差66

3.3.1 稳态误差的概念66

3.3.2 稳态误差的计算67

3.3.3 主扰动输入引起的稳态误差70

3.3.4 关于降低稳态误差问题70

3.4 劳斯-赫尔维茨稳定性判据72

3.4.1 稳定性的概念72

3.4.2 劳斯判据74

3.4.3 赫尔维茨判据81

3.5 控制系统灵敏度分析82

3.6 应用Matlab分析控制系统的性能85

本章小结89

习题389

4根轨迹法93

4.1 根轨迹的基本概念93

4.2 绘制根轨迹的基本规则95

4.3 控制系统根轨迹的绘制100

4.4 广义根轨迹105

4.4.1 以非K＊为变参数的根轨迹105

4.4.2 正反馈系统的根轨迹107

4.4.3 非最小相位系统的根轨迹108

4.5 线性系统的根轨迹分析方法110

4.5.1 主导极点的概念111

4.5.2 增加开环零极点对根轨迹的影响113

4.6 利用Matlab绘制系统的根轨迹115

本章小结118

习题4118

5线性系统的频域分析121

5.1 频率特性的概念121

5.2 开环系统频率特性的图形表示124

5.2.1 幅相频率特性曲线124

5.2.2 对数频率特性曲线132

5.3 奈奎斯特稳定判据140

5.3.1 奈奎斯特稳定判据的数学基础140

5.3.2 奈奎斯特稳定判据142

5.4 控制系统的相对稳定性145

5.4.1 相对稳定性146

5.4.2 稳定裕度的求取147

5.5 闭环频率特性150

5.5.1 闭环频率特性的图形表示150

5.5.2 闭环系统的频域性能指标156

5.6 Matlab在系统频域分析中的应用160

本章小结164

习题5164

6线性系统的校正方法168

6.1 校正与综合的概念168

6.1.1 校正的基本方式169

6.1.2 基本控制规律169

6.2 常用校正装置及其特性172

6.2.1 无源校正装置172

6.2.2 有源校正装置177

6.3 串联校正178

6.3.1 串联超前校正178

6.3.2 串联滞后校正180

6.3.3 串联滞后-超前校正182

6.3.4 期望频率特性法校正183

6.4 反馈校正187

6.5 Matlab在系统校正中的应用189

本章小结191

习题6192

7线性离散控制系统195

7.1 引言195

7.1.1 直接数字控制系统195

7.1.2 计算机监督控制系统196

7.1.3 集散控制系统196

7.2 采样过程的数学描述197

7.2.1 采样过程及其数学描述197

7.2.2 采样定理199

7.2.3 采样周期的选择200

7.3 信号保持201

7.3.1 零阶保持器201

7.3.2 一阶保持器202

7.4 Z变换理论204

7.4.1 Z变换204

7.4.2 Z变换的性质205

7.4.3 Z反变换207

7.5 采样系统的数学模型209

7.5.1 描述离散控制系统的线性差分方程209

7.5.2 脉冲传递函数210

7.6 离散控制系统分析216

7.6.1 线性离散控制系统的稳定性分析216

7.6.2 离散控制系统的瞬态响应221

7.6.3 离散控制系统的稳态误差223

7.7 数字控制器的设计225

7.7.1 无稳态误差最少拍系统的设计226

7.7.2 G（z）具有单位圆上和单位圆外零极点的情况时数字控制器的设计229

7.7.3 无纹波无稳态误差最少拍系统的设计230

7.8 Matlab在离散系统中的应用232

本章小结235

习题7235

8非线性系统理论240

8.1 引言240

8.1.1 非线性系统特点240

8.1.2 研究非线性系统的意义与方法242

8.2 典型非线性特性的数学描述及其对系统性能的影响242

8.2.1 饱和特性243

8.2.2 死区特性243

8.2.3 间隙特性243

8.2.4 继电特性244

8.3 描述函数法245

8.3.1 描述函数的概念245

8.3.2 典型非线性的描述函数246

8.3.3 多重非线性的描述函数251

8.3.4 用描述函数法分析非线性系统252

8.4 相平面法256

8.4.1 相轨迹及其绘制方法256

8.4.2 奇点与极限环257

8.4.3 用相平面法分析非线性系统261

本章小结264

习题8264

9状态空间分析与综合268

9.1 引言268

9.2 状态空间和状态方程268

9.2.1 状态空间方法的几个基本概念268

9.2.2 几个示例269

9.3 线性系统状态空间表达式的建立271

9.3.1 高阶微分方程到状态空间描述271

9.3.2 将传递函数转换成状态空间描述274

9.3.3 由状态变量图求系统的状态空间描述275

9.3.4 状态空间描述与传递函数的关系278

9.3.5 状态变量组的非唯一性281

9.3.6 系统矩阵A的特征方程和特征值282

9.3.7 利用Matlab进行系统模型之间的相互转换282

9.4 线性定常系统连续状态方程的解285

9.4.1 线性系统状态方程的解286

9.4.2 状态转移矩阵性质286

9.4.3 向量矩阵分析中的若干结果287

9.4.4 矩阵指数函数eAt的计算288

9.4.5 线性离散系统状态空间表达式的建立及其解291

9.5 线性定常系统的可控性与可观测性分析294

9.5.1 线性连续系统的可控性294

9.5.2 线性定常连续系统的可观测性297

9.5.3 对偶原理299

9.5.4 单输入/单输出系统状态空间描述的标准形300

9.5.5 基于系统标准形的可控可观判据302

9.5.6 离散系统的可控性和可观测性判据305

9.5.7 用Matlab判断系统的可控性和可观测性305

9.6 线性定常系统的状态反馈和状态观测器306

9.6.1 状态反馈与极点配置307

9.6.2 输出反馈与极点配置314

9.6.3 状态观测器314

9.7 李雅普诺夫稳定性分析334

9.7.1 李雅普诺夫意义下的稳定性问题334

9.7.2 李雅普诺夫稳定性理论337

本章小结347

习题9348

10鲁棒控制系统356

10.1 鲁棒性的基本概念356

10.2 参数不确定系统的稳定鲁棒性356

10.2.1 使用劳斯判据分析参数不确定系统的稳定区域356

10.2.2 Kharitonov定理358

10.3 传递函数具有不确定性时的稳定鲁棒性358

10.4 状态方程具有不确定性时的稳定鲁棒性360

本章小结363

习题10363

附录 Matlab简介365

M.1 Matlab的特点365

M.2 Matlab的基本功能366

M.2.1 Matlab的编程环境366

M.2.2 Matlab的程序设计基础366

M.3 Matlab控制系统工具箱简介375

M.3.1 线性系统的数学模型375

M.3.2 Matlab控制系统工具箱函数介绍378

M.3.3 使用Matlab符号运算工具箱进行拉氏变换382

参考文献385