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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1

1.1.2 控制系统方框图2

1.2 自动控制系统的分类3

1.2.1 按信号的传递路径来分3

1.2.2 按系统输入信号的变化规律不同来分4

1.2.3 按系统传输信号的性质来分5

1.2.4 按描述系统的数学模型不同来分5

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8

1.4.1 经典控制理论阶段8

1.4.2 现代控制理论阶段9

1.4.3 大系统控制理论阶段9

1.4.4 智能控制阶段10

本章小结10

习题111

2 控制系统数学模型13

2.1 导论13

2.2 控制系统的微分方程14

2.2.1 微分方程式的建立14

2.2.2 非线性方程的线性化21

2.3 控制系统的传递函数24

2.3.1 传递函数的概念25

2.3.2 传递函数的性质26

2.3.3 典型环节及其传递函数27

2.4 控制系统结构图与信号流图30

2.4.1 控制系统的结构图30

2.4.2 控制系统的信号流图39

2.4.3 控制系统的传递函数43

2.5 应用Matlab控制系统仿真45

2.5.1 举例46

2.5.2 传递函数48

2.5.3 结构图模型48

本章小结52

习题253

3 控制系统的时域分析法58

3.1 二阶系统的瞬态响应及性能指标58

3.1.1 典型输入信号59

3.1.2 系统的性能指标60

3.1.3 瞬态响应分析61

3.1.4 线性定常系统的重要特性67

3.2 增加零极点对二阶系统响应的影响68

3.3 反馈控制系统的稳态误差72

3.3.1 稳态误差的概念72

3.3.2 稳态误差的计算73

3.3.3 主扰动输入引起的稳态误差75

3.3.4 关于降低稳态误差问题76

3.4 劳斯－赫尔维茨稳定性判据77

3.4.1 稳定性的概念78

3.4.2 劳斯判据80

3.4.3 赫尔维茨判据87

3.5 控制系统灵敏度分析89

3.6 应用Matlab分析控制系统的性能91

本章小结96

习题397

4 根轨迹法102

4.1 根轨迹的基本概念102

4.2 绘制根轨迹的基本规则104

4.3 控制系统根轨迹的绘制109

4.4 广义根轨迹114

4.4.1 以非K＊为变参数的根轨迹114

4.4.2 正反馈系统的根轨迹116

4.4.3 非最小相位系统的根轨迹117

4.5 线性系统的根轨迹分析方法120

4.5.1 主导极点的概念120

4.5.2 增加开环零点对根轨迹的影响123

4.6 利用Matlab绘制系统的根轨迹125

本章小结128

习题4128

5 线性系统的频域分析131

5.1 频率特性的概念131

5.2 开环系统频率特性的图形表示134

5.2.1 幅相频率特性曲线134

5.2.2 对数频率特性曲线143

5.3 奈奎斯特稳定判据152

5.3.1 奈奎斯特稳定判据的数学基础152

5.3.2 奈奎斯特稳定判据154

5.4 控制系统的相对稳定性157

5.4.1 相对稳定性158

5.4.2 稳定裕度的求取159

5.5 闭环频率特性162

5.5.1 闭环频率特性的图形表示162

5.5.2 闭环系统的频域性能指标168

5.6 Matlab在频率分析中的应用172

本章小结176

习题5177

6 线性系统的校正方法181

6.1 校正与综合的概念181

6.1.1 校正的基本方式182

6.1.2 基本控制规律183

6.2 常用校正装置及其特性185

6.2.1 无源校正装置186

6.2.2 有源校正装置191

6.3 串联校正192

6.3.1 串联超前校正192

6.3.2 串联滞后校正194

6.3.3 串联滞后－超前校正196

6.3.4 期望频率特性法校正198

6.4 反馈校正202

6.5 Matlab在系统校正中的应用204

本章小结207

习题6208

7 线性离散控制系统212

7.1 引言212

7.1.1 直接数字控制系统（DDC——Direct Digital Control）212

7.1.2 计算机监督控制系统（SCC——Surveillance Computer Control System）212

7.1.3 集散控制系统（TDC——Total and Distributed Control）213

7.2 采样过程的数学描述214

7.2.1 采样过程及其数学描述214

7.2.2 采样定理216

7.2.3 采样周期的选择217

7.3 信号恢复218

7.3.1 零阶保持器218

7.3.2 一阶保持器219

7.4 Z变换理论221

7.4.1 Z变换221

7.4.2 Z变换的性质223

7.4.3 Z反变换224

7.5 采样系统的数学模型226

7.5.1 描述离散控制系统的线性差分方程226

7.5.2 脉冲传递函数228

7.6 离散控制系统分析235

7.6.1 线性离散控制系统的稳定性分析235

7.6.2 离散控制系统的瞬态响应241

7.6.3 离散控制系统的稳态误差243

7.7 数字控制器的设计245

7.7.1 无稳态误差最少拍系统的设计246

7.7.2 G（z）具有单位圆上和单位圆外零极点的情况，数字控制器的设计250

7.7.3 无纹波无稳态误差最少拍系统的设计251

7.8 Matlab在离散系统中应用253

本章小结257

习题7257

8 非线性系统理论262

8.1 引言262

8.1.1 非线性系统特点262

8.1.2 研究非线性系统的意义与方法264

8.2 典型非线性特性的数学描述及其对系统性能的影响265

8.2.1 饱和特性265

8.2.2 死区特性265

8.2.3 间隙特性265

8.2.4 继电特性266

8.3 描述函数法267

8.3.1 描述函数的概念267

8.3.2 典型非线性的描述函数268

8.3.3 多重非线性的描述函数273

8.3.4 用描述函数法分析非线性系统275

8.4 相平面法279

8.4.1 相轨迹及其绘制方法279

8.4.2 奇点与极限环280

8.4.3 用相平面法分析非线性系统285

本章小结288

习题8288

9 状态空间分析与综合293

9.1 引言293

9.2 状态空间和状态方程293

9.2.1 状态空间方法的几个基本概念293

9.2.2 几个示例294

9.3 线性系统状态空间表达式的建立296

9.3.1 高阶微分方程到状态空间描述296

9.3.2 将传递函数转换成状态空间描述299

9.3.3 由状态变量图求系统的状态空间描述301

9.3.4 状态空间描述与传递函数描述的关系304

9.3.5 状态变量的非惟一性308

9.3.6 系统矩阵A的特征方程和特征值309

9.3.7 利用Matlab进行系统模型之间的相互转换309

9.4 线性定常系统连续状态方程的解312

9.4.1 线性系统状态方程的解313

9.4.2 状态转移矩阵313

9.4.3 向量矩阵分析中的若干结果314

9.4.4 矩阵指数函数eAt的计算315

9.4.5 线性离散系统状态空间表达式的建立及其解319

9.5 线性定常系统的可控性与可观测性分析322

9.5.1 线性连续系统的可控性323

9.5.2 线性定常连续系统的可观测性325

9.5.3 对偶原理327

9.5.4 单输入／单输出系统状态空间描述的标准形328

9.5.5 基于系统标准形的可控可观判据330

9.5.6 离散系统的可控性和可观测性判据334

9.5.7 用Matlab判断系统的可控性和可观测性334

9.6 线性定常系统的状态反馈和状态观测器335

9.6.1 状态反馈与极点配置336

9.6.2 输出反馈与极点配置343

9.6.3 状态观测器344

9.7 李雅普诺夫稳定性分析366

9.7.1 李雅普诺夫意义下的稳定性问题366

9.7.2 李雅普诺夫稳定性理论369

本章小结380

习题9381

10 鲁棒控制系统391

10.1 鲁棒性的基本概念391

10.2 参数不确定系统的稳定鲁棒性391

10.2.1 使用劳斯判据分析参数不确定系统的稳定区域391

10.2.2 Kharitonov定理393

10.3 传递函数具有不确定性时的稳定鲁棒性394

10.4 状态方程具有不确定性时的稳定鲁棒性396

本章小结399

习题10400

附录 Matlab简介401

M.1 Matlab的特点401

M.2 Matlab的基本功能402

M.2.1 Matlab的编程环境402

M.2.2 Matlab的程序设计基础403

M.3 Matlab控制系统工具箱简介412

M.3.1 线性系统的数学模型412

M.3.2 Matlab控制系统工具箱函数介绍415

M.3.3 使用Matlab符号运算工具箱进行拉氏变换420

参考文献424