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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7

1.6 自动控制理论的产生及其发展8

小结12

习题13

第2章 控制系统的数学模型14

2.1 微分方程14

2.1.1 微分方程的建立15

2.1.2 微分方程的增量表示20

2.1.3 非线性微分方程的线性化21

2.2 传递函数23

2.2.1 传递函数的定义23

2.2.2 传递函数的常用形式26

2.2.3 传递函数的特点28

2.2.4 典型环节的传递函数28

2.3 结构图32

2.3.1 结构图的概念32

2.3.2 结构图的简化33

2.4 信号流图40

2.4.1 信号流图的概念41

2.4.2 信号流图的绘制42

2.4.3 梅逊增益公式43

2.5 利用MATLAB描述和求解系统数学模型45

2.5.1 利用MATLAB描述系统数学模型45

2.5.2 利用MATLAB实现数学模型间的转换46

2.5.3 利用MATLAB化简系统数学模型46

小结48

习题48

第3章 线性控制系统的时域分析法51

3.1 时域分析的基础知识51

3.1.1 典型输入信号51

3.1.2 系统时域响应的形式53

3.1.3 系统时域响应的性能指标54

3.2 系统的稳定性56

3.2.1 稳定性的基本概念56

3.2.2 线性控制系统稳定的条件57

3.2.3 代数稳定判据59

3.2.4 系统参数对稳定性的影晌62

3.2.5 相对稳定性和稳定裕量63

3.3 系统的时域响应63

3.3.1 一阶系统的时域响应63

3.3.2 二阶系统的时域响应65

3.3.3 高阶系统的时域响应73

3.4 系统的稳态误差76

3.4.1 稳态误差的定义76

3.4.2 静态误差系数法77

3.4.3 动态误差系数法79

3.4.4 给定信号和扰动信号同时作用下的稳态误差81

3.5 基于MATLAB的控制系统时域分析83

3.5.1 利用MATLAB分析系统的稳定性83

3.5.2 利用MATLAB分析系统的动态特性83

3.5.3 利用MATLAB计算系统的稳态误差86

小结87

习题87

第4章 线性控制系统的根轨迹分析法91

4.1 根轨迹分析的基础知识91

4.1.1 根轨迹的基本概念91

4.1.2 根轨迹的基本条件93

4.2 常规根轨迹的绘制94

4.2.1 负反馈系统的根轨迹94

4.2.2 正反馈系统的根轨迹104

4.2.3 180°等相角根轨迹和0°等相角根轨迹106

4.3 参数根轨迹的绘制106

4.3.1 单参数根轨迹107

4.3.2 多参数根轨迹108

4.4 纯迟延根轨迹的绘制110

4.5 利用根轨迹分析控制系统113

4.5.1 利用根轨迹定性分析系统114

4.5.2 利用根轨迹定量分析系统115

4.6 利用MATLAB进行根轨迹分析118

4.6.1 绘制系统根轨迹和获得根轨迹增益118

4.6.2 绘制阻尼系数和自然频率的栅格线120

小结121

习题121

第5章 线性控制系统的频域分析法125

5.1 频域分析的基础知识125

5.1.1 频率特性的基本概念125

5.1.2 频率特性的表示方法127

5.2 典型环节的频率特性129

5.2.1 比例环节129

5.2.2 积分环节130

5.2.3 微分环节130

5.2.4 一阶惯性环节131

5.2.5 一阶比例微分环节133

5.2.6 二阶振荡环节133

5.2.7 纯滞后环节135

5.3 系统的开环频率特性136

5.3.1 开环频率特性的极坐标图（Nyquist图）136

5.3.2 开环频率特性的对数坐标图（Bode图）139

5.3.3 开环频率特性的对数幅相图（Nichols图）142

5.3.4 最小相位系统143

5.4 奈奎斯特稳定判据146

5.4.1 基本原理146

5.4.2 奈奎斯特路径及其映射148

5.4.3 奈奎斯特稳定判据149

5.4.4 奈奎斯特稳定判据的推广153

5.5 控制系统的稳定裕量155

5.5.1 稳定裕量在极坐标图中的表示155

5.5.2 稳定裕量在对数坐标图中的表示156

5.5.3 稳定裕量在对数幅相图中的表示157

5.6 系统的闭环频率特性158

5.6.1 等M圆（等幅值轨迹）和等N圆（等相角轨迹）158

5.6.2 利用等M圆和等N圆求系统的闭环频率特性160

5.6.3 利用Nichols图求系统的闭环频率特性162

5.7 利用频率特性对闭环系统进行分析163

5.7.1 系统频域特性与稳态性能的关系163

5.7.2 系统频域特性与时域性能的关系164

5.8 基于MATLAB的控制系统频域分析167

5.8.1 利用MATLAB绘制Bode图167

5.8.2 利用MATLAB绘制Nyquist图168

5.8.3 利用MATLAB绘制Nichols图168

5.8.4 利用MATLAB计算系统的相角裕量和幅值裕量169

5.8.5 利用MATLAB绘制系统的闭环频率特性曲线170

小结171

习题172

第6章 线性控制系统的校正方法176

6.1 线性控制系统的基础知识176

6.1.1 性能指标176

6.1.2 校正方式177

6.2 校正装置及其特性177

6.2.1 PID控制器178

6.2.2 超前校正装置178

6.2.3 滞后校正装置180

6.2.4 滞后－超前校正装置182

6.3 频率法串联校正184

6.3.1 频率法的串联超前校正184

6.3.2 频率法的串联滞后校正186

6.3.3 频率法的串联滞后－超前校正189

6.4 根轨迹法串联校正191

6.4.1 根轨迹法的串联超前校正192

6.4.2 根轨迹法的串联滞后校正195

6.4.3 根轨迹法的串联滞后－超前校正198

6.5 反馈校正201

6.5.1 反馈校正的原理201

6.5.2 反馈校正的设计202

6.6 复合校正203

6.6.1 按输入补偿的复合校正203

6.6.2 按扰动补偿的复合校正205

6.7 基于MATLAB的控制系统校正205

6.7.1 利用MATLAB实现频率法的串联超前校正206

6.7.2 利用MATLAB实现频率法的串联滞后校正207

6.7.3 利用MATLAB实现频率法的串联滞后－超前校正209

小结210

习题211

第7章 非线性控制系统的分析213

7.1 非线性控制系统的基础知识213

7.1.1 非线性系统的特点213

7.1.2 常见的非线性特性215

7.1.3 非线性系统的分析方法217

7.2 相平面分析法217

7.2.1 相平面概述217

7.2.2 相轨迹图的绘制223

7.2.3 由相轨迹图求系统的暂态响应227

7.2.4 控制系统的相平面分析228

7.3 描述函数分析法234

7.3.1 描述函数概述235

7.3.2 典型非线性环节的描述函数236

7.3.3 非线性系统的描述函数法分析239

7.3.4 非线性系统的简化245

7.4 基于MATLAB的非线性系统分析246

7.4.1 利用MATLAB求解非线性系统的线性化模型246

7.4.2 基于MATLAB的相平面法分析非线性系统248

7.4.3 基于MATLAB的描述函数法分析非线性系统251

小结252

习题253

第8章 线性离散控制系统的分析与设计256

8.1 线性离散控制系统的基础知识256

8.1.1 信号的采样257

8.1.2 信号的保持260

8.2 z变换及其反变换262

8.2.1 z变换定义262

8.2.2 z变换方法263

8.2.3 z变换的基本定理264

8.2.4 z反变换267

8.3 离散系统的数学模型268

8.3.1 差分方程268

8.3.2 脉冲传递函数270

8.4 离散控制系统的稳定性分析275

8.4.1 离散控制系统稳定的条件275

8.4.2 代数稳定判据276

8.5 离散控制系统的稳态误差278

8.5.1 典型输入信号下的稳态误差278

8.5.2 扰动信号作用下的稳态误差280

8.6 离散控制系统的动态性能280

8.6.1 离散系统的输出响应281

8.6.2 闭环零点、极点分布对瞬态响应的影响281

8.6.3 离散系统的根轨迹分析284

8.7 离散控制系统的校正285

8.7.1 采用Bode图的方法285

8.7.2 最少拍控制系统的校正287

8.8 基于MATLAB的离散控制系统的分析与设计289

8.8.1 利用MATLAB实现z变换289

8.8.2 利用MATLAB实现连续系统的离散化290

8.8.3 利用MATLAB分析离散控制系统的稳定性290

8.8.4 利用MATLAB计算离散系统的稳态误差291

8.8.5 利用MATLAB分析离散系统的动态特性291

小结293

习题293

附录A 拉普拉斯变换295

附录B 习题参考答案300

参考文献307