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第1章 自动控制的一般概念 1

1.1 引例 1

1.2 反馈的基本概念 2

1.3 术语 3

1.4 自动控制系统示例 5

1.5 控制系统的组成 5

1.5.1 反馈控制系统的基本组成 5

1.5.2 开环控制 7

1.5.3 闭环与开环控制系统的比较 7

1.5.4 复合控制系统 8

1.6 自动控制系统的分类 8

1.7 对自动控制系统的基本要求 11

1.8 本课程的任务 11

1.9 自动控制理论的发展 12

习题 15

第2章 连续控制系统的数学模型 17

2.1 引例 17

2.2 控制系统数学模型的概念 18

2.2.1 数学模型的类型 18

2.2.2 数学模型的特点 19

2.2.3 建立数学模型的方法 19

2.3 控制系统的动态微分方程 20

2.3.1 列写动态微分方程的一般方法 20

2.3.2 非线性元件微分方程的线性化 23

2.4 控制系统的传递函数 26

2.4.1 传递函数的定义 26

2.4.2 传递函数的性质 26

2.4.3 传递函数的求取 27

2.5 动态结构图及其等效变换 30

2.5.1 动态结构图的概念 30

2.5.2 结构图的等效变换 33

2.6 信号流图 37

2.6.1 信号流图介绍 38

2.6.2 系统的信号流图 38

2.6.3 信号流图中的术语 40

2.6.4 信号流图的性质 41

2.6.5 梅逊（Mason）公式 41

2.7 磁悬浮系统的数学模型 43

小结 49

习题 49

第3章 时域分析法 55

3.1 引例 55

3.2 典型输入信号和时域性能指标 56

3.2.1 典型输入信号 56

3.2.2 动态过程和稳态过程 58

3.2.3 控制系统的时域性能指标 58

3.3 典型系统的动态响应及其性能指标 60

3.3.1 一阶系统的动态响应分析 60

3.3.2 二阶系统的动态响应分析 62

3.3.3 二阶系统性能的改善 68

3.4 高阶系统的动态分析 70

3.4.1 高阶系统的瞬态响应 70

3.4.2 高阶系统的降阶 71

3.5 线性系统的稳定性分析 73

3.5.1 稳定的概念和稳定的充要条件 73

3.5.2 代数稳定判据 74

3.5.3 代数判据的应用 76

3.6 稳态误差分析与计算 78

3.6.1 误差及稳态误差的定义 79

3.6.2 给定输入下的稳态误差 80

3.6.3 扰动信号作用下的稳态误差 83

3.7 应用MATLAB进行时域分析 85

3.7.1 应用MATLAB分析系统的稳定性 85

3.7.2 应用MATLAB分析系统的动态特性 86

3.8 炉温自动控制系统时域分析 87

3.8.1 系统各部分的传递函数 87

3.8.2 系统的时域分析 89

小结 91

习题 91

第4章 根轨迹法 94

4.1 引例 94

4.2 根轨迹的基本概念 95

4.2.1 根轨迹 95

4.2.2 根轨迹方程及相角、幅值条件 95

4.2.3 闭环零、极点与开环零、极点之间的关系 96

4.3 根轨迹绘制规则 97

4.3.1 根轨迹的起点与终点 98

4.3.2 根轨迹的分支数与对称性 98

4.3.3 实轴上的根轨迹 99

4.3.4 根轨迹的渐近线 99

4.3.5 分离点及会合点 100

4.3.6 根轨迹的起始角与终止角 101

4.3.7 根轨迹与虚轴的交点 102

4.3.8 根之和规律 102

4.4 控制系统根轨迹的绘制 103

4.5 广义根轨迹 108

4.5.1 参数根轨迹 109

4.5.2 正反馈系统的根轨迹 110

4.5.3 非最小相位系统的根轨迹 111

4.6 控制系统的根轨迹分析 114

4.6.1 闭环零点、极点和开环根轨迹增益的确定 114

4.6.2 闭环零点、极点分布对系统性能的影响 114

4.6.3 利用根轨迹估算系统性能 115

4.6.4 开环零、极点对根轨迹的影响 116

4.7 利用MATLAB绘制系统的根轨迹 118

4.8 用根轨迹法设计小车控制系统 120

4.8.1 系统建模 120

4.8.2 控制器的设计 121

小结 123

习题 124

第5章 频率特性法 127

5.1 引例 127

5.2 频率特性 127

5.2.1 基本概念 127

5.2.2 频率特性曲线 130

5.3 典型环节的频率特性 131

5.4 系统的开环频率特性 138

5.4.1 开环幅相曲线 139

5.4.2 开环对数频率特性曲线 141

5.4.3 最小相位系统与非最小相位系统 142

5.5 奈奎斯特稳定判据 144

5.5.1 数学基础 144

5.5.2 奈奎斯特稳定判据 146

5.5.3 对数频率稳定判据 150

5.6 开环频域分析 152

5.6.1 稳定裕度 152

5.6.2 开环频率特性分析 154

5.7 闭环频率特性 157

5.7.1 闭环频域指标 157

5.7.2 闭环频域指标和时域指标的关系 157

5.7.3 闭环频域指标和开环频域指标的关系 158

5.8 MATLAB频域特性分析 160

小结 161

习题 161

第6章 控制系统的校正 166

6.1 校正的基本概念 166

6.1.1 校正的定义 166

6.1.2 校正方式 167

6.1.3 校正装置的设计方法 168

6.2 频率法串联校正 169

6.2.1 串联超前校正 169

6.2.2 串联滞后校正 172

6.2.3 串联滞后-超前校正 176

6.2.4 串联综合法校正 179

6.2.5 PID调节器 182

6.3 频率法反馈校正 185

6.3.1 反馈校正原理 185

6.3.2 综合法反馈校正 185

6.4 复合校正 188

6.4.1 按扰动补偿的复合校正 188

6.4.2 按输入补偿的复合校正 190

6.5 MATLAB在控制系统校正中的应用 191

小结 193

习题 194

第7章 非线性系统 197

7.1 引例 197

7.2 常见非线性系统及其特点 199

7.2.1 常见非线性特性 199

7.2.2 非线性系统的特点 201

7.3 相平面法 204

7.3.1 基本概念 204

7.3.2 线性系统的相轨迹 204

7.3.3 相轨迹的做法 208

7.3.4 非线性系统的相平面分析 211

7.4 描述函数法 214

7.4.1 描述函数的概念 214

7.4.2 描述函数的求法 215

7.4.3 用描述函数研究非线性系统的稳定性和自振 220

7.5 基于MATLAB的非线性系统分析 225

7.6 非线性特性的利用 232

小结 235

习题 235

第8章 采样控制系统 240

8.1 引例 240

8.2 采样与保持 241

8.2.1 采样过程 241

8.2.2 采样定理 243

8.2.3 零阶保持器 245

8.3 差分方程 247

8.3.1 差分的定义 247

8.3.2 线性常系数差分方程 248

8.4 Z变换 249

8.4.1 Z变换定义 249

8.4.2 Z变换方法 249

8.4.3 Z变换的性质 251

8.4.4 Z反变换 254

8.4.5 差分方程的解法 256

8.5 离散系统的传递函数 257

8.5.1 Z传递函数的定义 257

8.5.2 离散系统的结构图与开环传递函数 258

8.5.3 闭环系统的传递函数 261

8.6 离散系统的稳定性分析 264

8.6.1 离散系统的稳定条件 264

8.6.2 劳斯稳定判据 265

8.7 采样系统的稳态误差 267

8.7.1 用终值定理计算稳态误差 267

8.7.2 用静态误差系数计算稳态误差 268

8.8 暂态响应与传递函数零、极点分布的关系 271

8.9 采样系统的校正 274

8.9.1 PID数字控制器的设计方法 274

8.9.2 数字控制器的数字化直接设计方法 275

8.9.3 最少拍系统的设计 276

8.10 MATLAB在离散系统中的应用 279

8.10.1 连续系统的离散化 279

8.10.2 求采样系统的响应 279

小结 281

习题 281

参考文献 285

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