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第1章 绪论1

1.1 自动控制的基本概念1

1.2 自动控制系统的组成3

1.3 自动控制系统的基本控制方式4

1.4 自动控制系统的分类5

1.5 自动控制系统的基本要求8

1.6 自动控制理论的产生和发展9

小结13

习题14

第2章 控制系统的数学模型15

2.1 微分方程15

2.1.1 微分方程的建立16

2.1.2 微分方程的增量表示21

2.1.3 非线性微分方程的线性化22

2.2 传递函数24

2.2.1 传递函数的定义24

2.2.2 传递函数的常用形式27

2.2.3 传递函数的特点28

2.2.4 典型环节的传递函数29

2.3 结构图33

2.3.1 结构图的概念33

2.3.2 结构图的简化34

2.4 信号流图41

2.4.1 信号流图的概念42

2.4.2 信号流图的绘制43

2.4.3 梅逊增益公式44

2.5 利用MATLAB描述和求解系统数学模型46

2.5.1 利用MATLAB描述系统数学模型46

2.5.2 利用MATLAB实现数学模型间的转换47

2.5.3 利用MATLAB化简系统数学模型47

小结49

习题49

第3章 线性控制系统的时域分析法52

3.1 时域分析的基础知识52

3.1.1 典型输入信号52

3.1.2 系统时域响应的形式54

3.1.3 系统时域响应的性能指标55

3.2 系统的稳定性57

3.2.1 稳定性的基本概念57

3.2.2 线性控制系统稳定的条件58

3.2.3 代数稳定判据60

3.2.4 系统参数对稳定性的影响63

3.2.5 相对稳定性和稳定裕量64

3.3 系统的时域响应64

3.3.1 一阶系统的时域响应64

3.3.2 二阶系统的时域响应66

3.3.3 高阶系统的时域响应74

3.4 系统的稳态误差77

3.4.1 稳态误差的定义77

3.4.2 静态误差系数法78

3.4.3 动态误差系数法80

3.4.4 给定信号和扰动信号同时作用下的稳态误差82

3.5 基于MATLAB的控制系统时域分析84

3.5.1 利用MATLAB分析系统的稳定性84

3.5.2 利用MATLAB分析系统的动态特性84

3.5.3 利用MATLAB计算系统的稳态误差87

小结88

习题88

第4章 线性控制系统的根轨迹分析法92

4.1 根轨迹分析的基础知识92

4.1.1 根轨迹的基本概念92

4.1.2 根轨迹的基本条件94

4.2 常规根轨迹的绘制95

4.2.1 负反馈系统的根轨迹95

4.2.2 正反馈系统的根轨迹105

4.2.3 180°等相角根轨迹和0°等相角根轨迹107

4.3 参数根轨迹的绘制107

4.3.1 单参数根轨迹108

4.3.2 多参数根轨迹109

4.4 纯迟延根轨迹的绘制111

4.5 利用根轨迹分析控制系统114

4.5.1 利用根轨迹定性分析115

4.5.2 利用根轨迹定量分析116

4.6 利用MATLAB进行根轨迹分析119

4.6.1 绘制系统根轨迹和获得根轨迹增益119

4.6.2 绘制阻尼系数和自然频率的栅格线121

小结122

习题122

第5章 线性控制系统的频域分析法126

5.1 频域分析的基础知识126

5.1.1 频率特性的基本概念126

5.1.2 频率特性的表示方法128

5.2 典型环节的频率特性130

5.2.1 比例环节130

5.2.2 积分环节131

5.2.3 微分环节131

5.2.4 一阶惯性环节132

5.2.5 一阶比例微分环节134

5.2.6 二阶振荡环节134

5.2.7 纯滞后环节136

5.3 系统的开环频率特性137

5.3.1 开环频率特性的三种图示法137

5.3.2 最小相位系统的开环频率特性144

5.3.3 奈奎斯特稳定判据147

5.3.4 控制系统的稳定裕量156

5.4 系统的闭环频率特性159

5.4.1 等M圆（等幅值轨迹）和等N圆（等相角轨迹）159

5.4.2 利用等M圆和等N圆求系统的闭环频率特性161

5.4.3 利用Nichols图求系统的闭环频率特性163

5.5 利用频率特性对系统进行分析164

5.5.1 系统频域特性与稳态性能的关系164

5.5.2 系统频域特性与时域性能的关系165

5.6 基于MATLAB的控制系统频域分析168

5.6.1 利用MATLAB绘制Bode图168

5.6.2 利用MATLAB绘制奈奎斯特图169

5.6.3 利用MATLAB绘制Nichols图170

5.6.4 利用MATLAB计算系统的相角裕量和幅值裕量170

5.6.5 利用MATLAB绘制系统的闭环频率特性曲线171

小结172

习题173

第6章 线性控制系统的校正方法177

6.1 线性控制系统的基础知识177

6.1.1 性能指标177

6.1.2 校正方式178

6.2 串联校正179

6.2.1 串联校正装置及其特性179

6.2.2 频率法串联校正185

6.2.3 根轨迹法串联校正194

6.3 反馈校正204

6.3.1 反馈校正的原理204

6.3.2 反馈校正的设计205

6.4 复合校正206

6.4.1 按输入补偿的复合校正206

6.4.2 按扰动补偿的复合校正208

6.5 基于MATLAB的控制系统校正209

6.5.1 利用MATLAB实现频率法的串联校正209

6.5.2 利用MATLAB实现根轨迹法的串联校正213

小结217

习题218

第7章 非线性控制系统的分析221

7.1 非线性控制系统的基础知识221

7.1.1 非线性系统的特点221

7.1.2 常见的非线性特性223

7.1.3 非线性系统的分析方法225

7.2 相平面分析法225

7.2.1 相平面概述225

7.2.2 相轨迹图的绘制231

7.2.3 由相轨迹图求系统的暂态响应235

7.2.4 控制系统的相平面分析236

7.3 描述函数分析法242

7.3.1 描述函数概述243

7.3.2 典型非线性环节的描述函数244

7.3.3 非线性系统的描述函数法分析247

7.3.4 非线性系统的简化253

7.4 基于MATLAB的非线性系统分析254

7.4.1 利用MATLAB求解非线性系统的线性化模型254

7.4.2 基于MATLAB的相平面法分析非线性系统256

7.4.3 基于MATLAB的描述函数法分析非线性系统259

小结260

习题261

第8章 线性离散控制系统的分析与设计264

8.1 线性离散控制系统的基础知识264

8.1.1 信号的采样265

8.1.2 信号的保持268

8.2 z变换及其反变换270

8.2.1 z变换定义270

8.2.2 z变换方法271

8.2.3 z变换的基本定理272

8.2.4 z反变换275

8.3 离散系统的数学模型276

8.3.1 差分方程276

8.3.2 脉冲传递函数278

8.4 离散控制系统的稳定性分析283

8.4.1 离散控制系统稳定的条件283

8.4.2 代数稳定判据284

8.5 离散控制系统的动态性能286

8.5.1 离散系统的输出响应286

8.5.2 闭环零点、极点分布对瞬态响应的影响287

8.5.3 离散系统的根轨迹分析290

8.6 离散控制系统的稳态误差291

8.6.1 典型输入信号下的稳态误差291

8.6.2 扰动信号作用下的稳态误差293

8.7 离散控制系统的校正293

8.7.1 采用Bode图的方法294

8.7.2 最少拍控制系统的校正295

8.8 基于MATLAB的离散控制系统的分析与设计297

8.8.1 利用MATLAB实现z变换297

8.8.2 利用MATLAB实现连续系统的离散化298

8.8.3 利用MATLAB分析离散控制系统的稳定性298

8.8.4 利用MATLAB计算离散系统的稳态误差299

8.8.5 利用MATLAB分析离散系统的动态特性299

小结301

习题301

附录A 拉普拉斯变换303

附录B 习题参考答案308

参考文献315