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第1章 自动控制的基本概念1

1.1 自动控制理论的发展和应用1

1.1.1 自动控制理论的发展历程1

1.1.2 自动控制应用实例2

1.2 本课程的作用及特点4

1.2.1 本课程的作用4

1.2.2 本课程的特点4

1.2.3 本课程知识的联系性4

1.3 系统的基本控制方式4

1.3.1 开环控制及特点5

1.3.2 闭环控制及特点5

1.3.3 补偿控制及特点6

1.3.4 复合控制及特点7

1.3.5 控制方式选择7

1.4 自控系统的组成和术语7

1.4.1 自控系统组成8

1.4.2 自控系统的名词术语8

1.5 控制系统的分类8

1.5.1 按信号流向分类9

1.5.2 按系统输入信号分类9

1.5.3 按系统元器件特性分类9

1.5.4 按系统参数特征分类10

1.5.5 按变量函数特征分类10

1.5.6 按输入输出量分类10

1.6 对控制系统性能的基本要求11

小结12

习题13

第2章 线性系统的数学模型14

2.1 线性系统的微分方程14

2.1.1 微分方程的建立15

2.1.2 微分方程的一般表达式17

2.2 非线性微分方程的线性化18

2.3 线性定常系统的传递函数20

2.3.1 传递函数的定义20

2.3.2 传递函数的特点21

2.3.3 典型环节及其传递函数22

2.4 控制系统的结构图26

2.4.1 结构图的组成26

2.4.2 结构图的绘制27

2.4.3 控制系统环节间的连接31

2.4.4 结构图的等效变换和化简33

2.5 用Matlab软件建立数学模型38

2.5.1 传递函数39

2.5.2 控制系统的建立40

小结42

习题42

第3章 时域响应分析法46

3.1 自动控制系统的典型输入信号46

3.2 线性定常系统的时域响应48

3.2.1 时域分析法48

3.2.2 时域响应49

3.2.3 时域响应的性能指标49

3.3 线性定常系统的稳定性50

3.3.1 稳定性概念50

3.3.2 线性系统稳定的充要条件51

3.3.3 劳斯判据52

3.3.4 劳斯判据的应用55

3.3.5 相对稳定性和稳定裕量57

3.4 系统的稳态误差58

3.4.1 误差58

3.4.2 稳态误差58

3.4.3 稳态误差ess的计算59

3.4.4 改善系统稳态精度的途径64

3.5 一阶系统的时域响应65

3.5.1 数学模型65

3.5.2 单位阶跃响应65

3.5.3 性能指标计算66

3.5.4 单位脉冲响应66

3.6 二阶系统的时域响应67

3.6.1 数学模型67

3.6.2 单位阶跃响应67

3.6.3 系统性能指标71

3.6.4 单位脉冲响应73

3.6.5 改善二阶系统性能的措施74

3.7 高阶系统的暂态响应76

3.7.1 高阶系统的传递函数76

3.7.2 高阶系统的降阶78

3.8 用Matlab进行时域响应分析79

3.8.1 单位脉冲响应79

3.8.2 单位阶跃响应80

3.8.3 单位斜坡响应80

3.8.4 性能指标81

3.8.5 系统稳定性分析82

小结83

习题84

第4章 根轨迹分析法88

4.1 根轨迹的基本概念88

4.2 绘制典型根轨迹90

4.2.1 根轨迹方程90

4.2.2 根轨迹绘制的基本规则91

4.2.3 根轨迹绘制103

4.3 根轨迹分析系统的性能106

4.3.1 根轨迹与稳定性106

4.3.2 引入开环零、极点对根轨迹的影响107

4.3.3 使用根轨迹法确定主导极点109

4.4 用Matlab进行根轨迹分析和校正111

4.4.1 使用Matlab绘制根轨迹图111

4.4.2 用Matlab进行根轨迹分析和校正113

小结121

习题122

第5章 频域分析法124

5.1 频率特性124

5.1.1 频率特性的定义124

5.1.2 频率特性的求取125

5.1.3 频域性能指标126

5.2 开环对数频率特性126

5.2.1 对数坐标图127

5.2.2 典型环节的频率特性127

5.2.3 系统的开环对数频率特性134

5.2.4 最小相位系统与非最小相位系统138

5.3 系统开环极坐标图140

5.3.1 极坐标图140

5.3.2 系统开环极坐标图141

5.4 奈氏稳定判据142

5.4.1 奈氏曲线及映射142

5.4.2 奈氏稳定判据一144

5.4.3 奈氏稳定判据二145

5.4.4 奈氏对数稳定判据145

5.5 系统相对稳定性147

5.5.1 增益裕量Kg147

5.5.2 相角裕量γ149

5.5.3 用幅相频率特性分析系统的稳定性149

5.6 用频率特性分析系统品质150

5.6.1 开环频率特性与时域响应的关系150

5.6.2 闭环频域性能指标与时域性能指标的关系152

5.7 用Matlab实现频率特性分析153

5.7.1 伯得图绘制和分析153

5.7.2 奈奎斯特图绘制和分析155

小结156

习题157

第6章 控制系统的设计与校正161

6.1 概述161

6.1.1 系统各种性能指标的关系161

6.1.2 系统校正162

6.2 串联超前校正164

6.2.1 串联超前校正装置及其特性164

6.2.2 系统的串联超前校正165

6.3 串联滞后校正168

6.3.1 串联滞后校正装置及特点168

6.3.2 系统的串联滞后校正170

6.4 系统滞后－超前校正174

6.4.1 串联滞后－超前校正装置174

6.4.2 系统的串联滞后－超前校正175

6.5 按期望特性对系统校正176

6.6 线性系统的基本控制（校正）规律178

6.6.1 PID控制规律178

6.6.2 PID控制器的实现与应用180

6.7 反馈校正182

6.7.1 比例反馈校正182

6.7.2 微分反馈校正183

6.7.3 反馈校正的设计183

6.8 复合校正184

6.8.1 反馈与前馈校正的复合控制184

6.8.2 反馈与扰动补偿的复合控制185

6.9 基于Matlab和Simulink的线性控制系统设计186

6.9.1 超前校正和滞后校正186

6.9.2 用Simulink实现线性控制系统设计仿真188

小结189

习题190

第7章 非线性系统分析194

7.1 典型的非线性特性196

7.2 相平面法199

7.2.1 相平面的基本概念199

7.2.2 相轨迹图200

7.2.3 相轨迹的绘制方法201

7.3 线性系统的相轨迹204

7.3.1 二阶线性系统的相轨迹204

7.3.2 奇点的稳定性205

7.4 非线性系统的相平面分析206

7.4.1 饱和特性的非线性系统分析206

7.4.2 继电器的非线性特性系统分析207

7.4.3 极限环208

7.5 描述函数法209

7.5.1 描述函数定义210

7.5.2 描述函数的计算211

7.5.3 非线性系统的描述函数分析218

7.6 用Simulink实现非线性控制系统设计仿真221

小结223

习题224

第8章 采样控制系统分析227

8.1 采样控制系统227

8.1.1 采样控制系统的基本结构227

8.1.2 采样过程与采样定理228

8.2 采样信号保持器230

8.2.1 零阶保持器230

8.2.2 一阶保持器232

8.3 Z变换233

8.3.1 Z变换定义233

8.3.2 Z变换方法234

8.3.3 Z变换性质236

8.3.4 Z反变换237

8.4 采样控制系统的数学模型240

8.4.1 线性常系数差分方程240

8.4.2 脉冲传递函数242

8.4.3 开环系统脉冲传递函数243

8.4.4 闭环系统脉冲传递函数245

8.5 采样控制系统的稳定性分析248

8.5.1 从s平面到z平面的映射249

8.5.2 线性采样控制系统的稳定条件249

8.5.3 线性采样控制系统的稳定判据250

8.6 采样控制系统的稳态误差252

8.7 采样控制系统的瞬态响应与脉冲传递函数极点分布关系255

8.8 采样控制系统的校正257

8.8.1 数字控制器的脉冲传递函数257

8.8.2 最小拍控制系统的脉冲传递函数258

8.8.3 最小拍控制系统的设计259

8.9 基于Matlab的采样控制系统仿真261

8.9.1 脉冲传递函数在Matlab中的表示261

8.9.2 连续系统模型与采样系统模型的转换262

8.9.3 求采样控制系统的时间响应262

8.9.4 采样控制系统的性能分析263

小结264

习题266

附录270

附录A 常用函数的拉普拉斯变换表270

附录B 常用函数的Z变换表271

附录C 留数法求Z变换272

附录D 留数法求Z反变换273

参考文献275