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第1章 导论1

1.1 引言1

1.2 自动控制系统的基本原理和组成2

1.2.1 自动控制系统基本原理2

1.2.2 自动控制系统的组成4

1.3 自动控制系统的分类6

1.3.1 按信号的传递路径来分6

1.3.2 按系统输出信号的变化规律来分7

1.3.3 按系统传输信号的性质来分7

1.3.4 按系统的输入输出特性不同来分8

1.4 控制系统实例9

1.4.1 内燃机的转速控制系统9

1.4.2 角度随动系统10

1.5 本书概貌10

习题12

第2章 控制系统的数学模型15

2.1 控制系统的时域数学模型——微分方程15

2.1.1 系统的微分方程举例16

2.1.2 非线性系统的线性化17

2.2 控制系统的复域数学模型——传递函数18

2.2.1 传递函数定义18

2.2.2 传递函数性质19

2.3 控制系统的频域数学模型——频率特性19

2.4 典型环节及其传递函数20

2.4.1 比例环节20

2.4.2 微分环节21

2.4.3 积分环节23

2.4.4 惯性环节（非周期环节）24

2.4.5 振荡环节25

2.4.6 时间延迟环节（时滞环节）26

2.5 控制系统的方块图26

2.5.1 系统方块图26

2.5.2 方块图的基本运算法则28

2.5.3 系统常用的传递函数29

2.5.4 方块图的简化法则30

2.6 信号流图32

2.6.1 几个定义33

2.6.2 信号流图的性质及运算法则33

2.6.3 信号流图与方块图之间等效关系34

2.6.4 梅逊（Mason）公式35

2.7 物理元件和系统的数学模型37

2.7.1 机械系统38

2.7.2 电气系统39

2.7.3 热力系统41

2.7.4 液位系统43

2.7.5 典型位置随动系统的数学模型45

2.8 MATLAB在系统数学模型转换中的应用47

2.8.1 MATLAB中传递函数的分式多项式的表示47

2.8.2 传递函数的零极点表示48

2.8.3 用MATLAB计算系统的传递函数49

2.8.4 MATLAB中多项式与因式分解形式的互相转换51

小结52

习题52

第3章 自动控制系统的时域分析58

3.1 常用的典型测试信号58

3.1.1 阶跃信号59

3.1.2 速度信号（斜坡信号）59

3.1.3 加速度信号（抛物线信号）60

3.1.4 脉冲信号60

3.1.5 正弦信号61

3.2 控制系统的稳定性分析62

3.2.1 稳定性的基本概念62

3.2.2 线性定常系统稳定的充分必要条件62

3.2.3 劳斯（Routh）稳定性判据64

3.2.4 用MATLAB分析系统的稳定性68

3.3 控制系统的稳态特性——稳态误差分析69

3.3.1 稳态误差和控制系统类型69

3.3.2 稳态误差系数和稳态误差计算71

3.3.3 几点结论74

3.4 控制系统的动态特性——动态响应分析75

3.4.1 控制系统动态响应指标75

3.4.2 一阶系统的动态响应76

3.4.3 二阶系统动态响应的描述参数77

3.4.4 二阶系统的单位阶跃响应78

3.4.5 二阶系统的动态响应指标79

3.5 高阶系统的动态响应82

3.5.1 高阶系统动态响应的特点82

3.5.2 主导极点、偶极子和附加零极点83

3.6 利用MATLAB分析系统性能85

3.6.1 step命令85

3.6.2 impulse命令86

3.6.3 lsim命令87

小结88

习题89

第4章 根轨迹法95

4.1 闭环系统的根轨迹95

4.1.1 根轨迹的定义95

4.1.2 根轨迹的幅值条件和相角条件97

4.2 绘制根轨迹的基本规则98

4.2.1 绘制根轨迹的基本规则和步骤98

4.2.2 开环零、极点的变化对根轨迹的影响105

4.3 根轨迹的应用107

4.3.1 用根轨迹分析系统107

4.3.2 用根轨迹选择系统的参数109

4.4 用MATLAB绘制根轨迹109

小结111

习题112

第5章 线性系统的频域分析——频率响应法118

5.1 频率特性118

5.1.1 线性定常系统对正弦输入信号的响应118

5.1.2 系统的频率特性119

5.1.3 频率特性的性质120

5.2 频率特性图121

5.2.1 频率特性的极坐标图（奈氏图）121

5.2.2 典型环节的奈氏图122

5.2.3 对数频率特性图（伯德图）126

5.2.4 基本因子的伯德图128

5.2.5 控制系统的伯德图132

5.2.6 最小相位系统和非最小相位系统134

5.2.7 对数幅相特性图136

5.2.8 用MATLAB作频率特性图137

5.3 频域中的稳定性判据138

5.3.1 引言138

5.3.2 幅角原理139

5.3.3 奈氏稳定性判据140

5.3.4 伯德图的奈氏判据144

5.4 系统动态性能的频域分析与频域指标146

5.4.1 系统的相对稳定性146

5.4.2 基于开环频率特性的系统动态性能分析148

5.4.3 基于闭环频率特性的系统动态性能分析150

5.4.4 从尼科尔斯图求闭环系统的频域指标151

5.4.5 用MATLAB分析系统的动态性能153

5.5 基于伯德图的系统稳态性能分析155

小结157

习题158

第6章 线性控制系统的设计166

6.1 引言166

6.2 不同域中系统动态性能指标的相互关系167

6.3 串联校正168

6.3.1 相位超前校正169

6.3.2 相位滞后校正177

6.3.3 相位超前-滞后校正183

6.3.4 有源校正网络192

6.3.5 不希望极点的抵消192

6.4 局部反馈校正194

6.4.1 局部反馈校正的基本原理194

6.4.2 速度反馈195

6.4.3 速度微分反馈196

6.5 PID控制器197

6.5.1 比例-积分控制（PI控制）198

6.5.2 比例-微分控制（PD控制）200

6.5.3 比例-积分-微分控制（PID控制）200

6.5.4 PID控制的实现202

6.6 前馈补偿与复合控制203

6.6.1 按输入补偿的复合控制系统203

6.6.2 按扰动补偿的复合控制系统204

小结204

习题206

第7章 非线性反馈控制系统212

7.1 非线性控制系统的概述212

7.1.1 典型非线性特性212

7.1.2 非线性系统的特点214

7.2 描述函数法215

7.2.1 描述函数的基本概念215

7.2.2 典型非线性特性的描述函数216

7.2.3 组合非线性特性的描述函数219

7.2.4 非线性系统的描述函数分析220

7.3 相平面法222

7.3.1 相轨迹的基本概念222

7.3.2 奇点和极限环223

7.3.3 相轨迹的绘制226

7.3.4 非线性系统的相平面分析228

7.4 利用非线性特性改善系统的性能232

7.5 MATLAB在非线性控制系统中的应用233

小结234

习题235

第8章 计算机控制系统239

8.1 概述239

8.2 计算机控制系统的硬件组成240

8.3 采样与恢复242

8.3.1 采样过程242

8.3.2 采样定理244

8.3.3 信号恢复245

8.4 z变换248

8.4.1 z变换的定义248

8.4.2 z变换的基本性质249

8.4.3 z变换的求法252

8.4.4 z反变换的求法254

8.5 脉冲传递函数255

8.5.1 数字部分的脉冲传递函数256

8.5.2 连续部分的脉冲传递函数256

8.5.3 采样器位置的重要性259

8.5.4 闭环脉冲传递函数260

8.6 离散控制系统的性能分析264

8.6.1 离散控制系统的稳定性分析264

8.6.2 离散控制系统的动态性能分析267

8.6.3 离散控制系统的稳态性能分析271

8.7 数字控制器的设计275

8.7.1 数字控制器的模拟化设计275

8.7.2 数字控制器的直接设计281

8.8 MATLAB在离散控制系统中的应用285

小结287

习题288

附录1 常见系统的根轨迹293

附录2 拉氏变换及z变换表295

附录3 常用校正装置297

参考文献302