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第1章　绪论1

1.1　开环控制系统和闭环控制系统1

1.1.1 开环控制系统1

1.1.2 闭环控制系统2

1.1.3 闭环控制系统示例4

1.2　闭环控制系统的基本组成7

1.3 自动控制系统的分类8

1.3.1 恒值控制系统、随动系统和程序控制系统8

1.3.2 线性控制系统和非线性控制系统10

1.3.3 连续控制系统和离散控制系统11

1.3.4　确定性系统和不确定性系统11

1.3.5 单输入单输出系统与多输入多输出系统12

1.3.6　集中参数系统和分布参数系统12

1.4 自动控制系统的分析和设计12

1.4.1 控制系统分析12

1.4.2　控制系统设计13

1.5 自动控制理论的发展简史14

1.5.1 经典控制理论阶段14

1.5.2　现代控制理论阶段15

小结16

习题16

第2章　自动控制系统的数学模型19

2.1　控制系统的时域数学模型19

2.1.1 线性系统微分方程的建立20

2.1.2　微分方程建立举例20

2.1.3 线性常系数微分方程的求解24

2.2　控制系统的复域数学模型25

2.2.1　传递函数的定义26

2.2.2　传递函数的一般表达式26

2.2.3　传递函数的性质26

2.3　典型环节的传递函数27

2.3.1 比例环节（Proportional Element）27

2.3.2 积分环节（Integrating Element）28

2.3.3 理想微分环节（Ideal Derivative Element）31

2.3.4 惯性环节（Inertial Element）31

2.3.5 比例微分环节（Proportional-Derivative Element）33

2.3.6　振荡环节（Oscillating Element）34

2.3.7　延迟环节（Pure Time Delay Element，又称纯滞后环节）37

2.4　控制系统的结构图38

2.4.1 功能框（Block Diagram）38

2.4.2 系统方框图的画法39

2.4.3　典型自动控制系统的方框图41

2.4.4　框图的等效变换43

2.5　信号流程图49

2.5.1 信号流图的基本概念49

2.5.2 信号流图的绘制51

2.5.3　信号流图的简化52

2.5.4　梅逊（Mason）公式及应用54

2.6　控制系统的状态空间模型55

2.6.1　状态、状态变量和状态方程56

2.6.2 外加作用函数不包含导数项时单变量系统的状态变量描述57

2.6.3 外加作用函数不包含导数项时多变量系统的状态变量描述58

2.6.4　传递矩阵60

小结61

习题62

第3章　控制系统的时域分析67

3.1　典型输入信号67

3.1.1 阶跃信号67

3.1.2　斜坡信号67

3.1.3　等加速度信号68

3.1.4　脉冲信号68

3.1.5　正弦信号69

3.2　线性系统的时域性能指标69

3.3　一阶系统的时域分析70

3.3.1 单位阶跃响应71

3.3.2　单位速度响应72

3.3.3　单位加速度响应72

3.3.4 单位脉冲响应72

3.4　二阶系统的时域分析73

3.4.1　传递函数的推导73

3.4.2 二阶系统的单位阶跃响应75

3.4.3 二阶系统阶跃响应的动态性能指标78

3.4.4　具有零点的二阶系统分析82

3.4.5 二阶系统的性能改善84

3.5　高阶系统的时域响应87

3.5.1 高阶系统的单位阶跃响应87

3.5.2 闭环零、极点对系统性能的影响88

3.5.3 利用主导极点估算系统的动态性能指标88

3.6　控制系统的稳定性89

3.6.1　稳定性概念89

3.6.2　线性系统稳定的充要条件90

3.6.3 线性系统稳定的必要条件91

3.6.4　代数稳定性判据92

3.6.5 劳斯稳定判据的应用96

3.7　控制系统的稳态误差98

3.7.1　误差和稳态误差98

3.7.2 给定作用下的稳态误差100

3.7.3 给定作用下动态误差系数103

3.7.4　扰动作用下的稳态误差105

3.7.5　扰动作用下动态误差系数108

3.8　用MATLAB对线性系统进行时域响应分析109

小结115

习题115

第4章　线性系统的根轨迹法119

4.1　根轨迹的基本概念119

4.1.1　根轨迹的概念119

4.1.2 绘制根轨迹的基本条件121

4.2　常规根轨迹的绘制122

4.3　广义根轨迹136

4.3.1　参数根轨迹136

4.3.2 多回路系统的根轨迹140

4.3.3　正反馈系统根轨迹141

4.4　利用根轨迹分析系统的性能144

4.4.1　稳定性分析144

4.4.2　暂态性能分析149

4.4.3　稳态性能分析150

4.5　用MATLAB绘制系统的根轨迹150

小结152

习题153

第5章　控制系统的频域分析156

5.1　频率特性156

5.1.1 频率特性的基本概念156

5.1.2　频率特性与传递函数的关系157

5.1.3 频率特性的数学表示方式159

5.1.4　频率特性的图形表示方式160

5.2　典型环节的对数频率特性162

5.2.1 比例环节162

5.2.2 积分环节163

5.2.3　微分环节164

5.2.4　惯性环节167

5.2.5　振荡环节169

5.2.6　延迟环节171

5.3　系统开环频率特性的绘制172

5.3.1　采用叠加的方法求串联环节的伯德图172

5.3.2 系统开环对数幅频特性的简便画法173

5.3.3　最小相位系统与非最小相位系统175

5.3.4 由系统（或部件）的对数频率特性求相应的传递函数177

5.4　奈奎斯特稳定判据和系统的相对稳定性179

5.4.1 系统开环频率特性与闭环特征式的关系179

5.4.2 幅角原理179

5.4.3　奈奎斯特稳定判据181

5.4.4　虚轴上有开环极点时的奈奎斯特判据182

5.4.5 基于伯德图的奈奎斯特判据183

5.4.6 系统的相对稳定性和相对裕度184

5.5　用频率法分析系统的稳态性能186

5.5.1　0型系统186

5.5.2 Ⅰ型系统186

5.5.3 Ⅱ型系统187

5.6　系统的频率特性及频域性能指标188

5.6.1 闭环系统的频率特性188

5.6.2 开环频率特性与闭环系统动态性能之间的关系189

5.6.3 系统的频域性能指标191

5.6.4　二阶系统的频域性能指标191

5.6.5　高阶系统193

5.7　用MATLAB进行系统的频域分析193

5.7.1　伯德图绘制193

5.7.2　奈奎斯特图绘制199

小结199

习题200

第6章　控制系统的校正204

6.1　控制系统校正的概念204

6.1.1　校正的概念204

6.1.2　校正的方式204

6.1.3　性能指标206

6.2　串联超前校正207

6.2.1　超前校正网络207

6.2.2　基于根轨迹法的超前校正209

6.2.3　基于频率响应法的超前校正214

6.3　串联迟后校正216

6.3.1 迟后校正网络216

6.3.2　基于根轨迹法的迟后校正218

6.3.3　基于频率响应法的迟后校正220

6.4　串联迟后—超前补偿223

6.4.1 迟后—超前校正网络223

6.4.2 基于根轨迹法的迟后—超前校正224

6.4.3　基于频率法的迟后—超前校正226

6.5　反馈校正230

6.5.1　使结构不稳定系统改造为稳定系统230

6.5.2　利用反馈补偿改变系统参数231

6.5.3　利用反馈补偿取代局部结构233

6.5.4 降低对参数变化的敏感度234

6.6　PID控制器及其参数整定237

6.6.1 比例（P）控制规律237

6.6.2 比例—微分（PD）控制规律238

6.6.3　积分（Ⅰ）控制规律239

6.6.4 比例—积分（PI）控制规律239

6.6.5 比例—积分—微分（PID）控制规律241

6.7　复合校正246

6.7.1　复合校正的概念246

6.7.2　按输入补偿的复合校正246

6.7.3　按扰动补偿的复合校正248

6.8　MATLAB在线性系统校正中的应用250

小结253

习题254

第7章　非线性系统的分析258

7.1　非线性系统的概述258

7.1.1 非线性系统的数学描述258

7.1.2　典型的非线性特性259

7.1.3 非线性系统的特点与分析方法262

7.2　相平面法265

7.2.1　相平面的基本概念265

7.2.2 相轨迹的几个重要性质266

7.2.3　相轨迹的绘制268

7.2.4 由相平面图求时间解273

7.3　相平面图的分析275

7.3.1 二阶线性系统的相平面分析275

7.3.2 非线性控制系统的相平面分析279

7.4　描述函数法290

7.4.1　描述函数的基本概念291

7.4.2　典型非线性特性的描述函数292

7.5　非线性系统的描述函数分析299

7.5.1 非线性系统的稳定性分析299

7.5.2　周期运动的稳定性分析300

7.6　基于SIMULINK环境的非线性系统仿真分析303

小结305

习题305

第8章　采样控制系统311

8.1　采样定理312

8.1.1　采样过程312

8.1.2　采样过程的谱分析313

8.1.3 采样定理315

8.1.4　采样周期的选取315

8.2　信号的再现和零阶保持器315

8.2.1　信号再现315

8.2.2　零阶保持器316

8.3　z变换和z反变换318

8.3.1　序列与差分方程318

8.3.2　z变换319

8.3.3　典型信号的z变换319

8.3.4　z变换的性质321

8.3.5　z反变换325

8.3.6　用z变换解差分方程326

8.4　脉冲传递函数328

8.4.1 脉冲传递函数的定义328

8.4.2 串联环节的脉冲传递函数330

8.4.3 闭环系统的脉冲传递函数331

8.5　采样系统的稳定性335

8.5.1 s平面和z平面的映射关系335

8.5.2　w平面的劳斯判据336

8.6　采样控制系统的性能分析338

8.6.1　瞬态响应338

8.6.2　稳态误差339

8.7　离散时间系统的状态空间描述341

8.7.1 由差分方程导出状态方程342

8.7.2 由脉冲传递函数导出状态方程343

8.7.3　连续时间模型的离散化344

8.7.4 离散系统状态方程分析344

8.8　采样控制系统校正与设计345

8.8.1　典型信号输入作用下的最小拍系统346

8.8.2　典型信号输入作用下的脉冲传递函数348

8.8.3 最小拍控制系统的设计348

8.9　MATLAB在离散系统中的应用350

小结351

习题352

参考文献355