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第1章 MATLAB语言在控制理论中的应用 1

1.1 MATLAB简介 2

1.2 Simulink简介 4

1.3 MATLAB在控制系统设计中的主要内容及应用 11

第2章 线性系统的数学模型 14

2.1 线性系统的数学模型简介 15

2.1.1 线性系统的微分方程 15

2.1.2 传递函数 15

2.1.3 系统结构图及结构图的等效变换和简化 17

2.2 实验项目 17

2.2.1 实验1：利用MATLAB语言建立系统的数学模型 17

2.2.2 实验2：典型环节模拟方法及动态特性 24

第3章 线性系统的时域分析 28

3.1 控制系统的时域分析 29

3.2 实验项目 32

3.2.1 实验1：基于MATLAB的控制系统的时域分析 32

3.2.2 实验2：二阶系统模拟及其动态性能分析 38

3.2.3 实验3：三阶系统的阶跃响应及稳定性分析 41

3.2.4 实验4：控制系统的稳态响应 43

第4章 根轨迹 47

4.1 根轨迹的基本知识 48

4.1.1 根轨迹的定义 48

4.1.2 根轨迹存在的条件 48

4.1.3 绘制180°根轨迹的基本法则 49

4.1.4 绘制0°根轨迹 50

4.1.5 参变量根轨迹 50

4.1.6 控制系统的根轨迹分析 51

4.2 实验：基于MATLAB的控制系统时域分析 51

第5章 线性系统的频域分析法 61

5.1 频率特性及其几何表示 62

5.1.1 频率特性的基本概念 62

5.1.2 频率特性的几何表示法 62

5.2 开环系统的典型环节和开环频率特性曲线的绘制 63

5.2.1 典型环节的频率特性 63

5.2.2 开环对数频率特性曲线 64

5.3 奈奎斯特稳定判据 66

5.3.1 奈奎斯特稳定判据 66

5.3.2 相角裕度γc 66

5.3.3 幅值裕度 66

5.4 频域指标与时域指标的关系 67

5.4.1 二阶系统频域指标与时域指标的关系 67

5.4.2 高阶系统频域指标与时域指标的关系 68

5.5 由频率特性确定传递函数 68

5.6 实验项目 69

5.6.1 实验1：基于MATLAB的控制系统的Bode图绘制及分析 69

5.6.2 实验2：基于MATLAB的控制系统Nyquist图绘制及分析 73

5.6.3 实验3：典型环节频率特性的测试 76

5.6.4 实验4：模拟振荡环节频率特性的测试 78

5.6.5 实验5：控制系统频率特性测量 80

第6章 控制系统的校正 83

6.1 校正的基本知识 84

6.1.1 常用的几种校正方法 84

6.1.2 串联超前校正 85

6.1.3 相位滞后校正 87

6.1.4 PID控制器 88

6.2 实验项目 90

6.2.1 实验1：基于MATLAB的系统超前校正环节的设计 90

6.2.2 实验2：基于MATLAB的系统滞后校正环节的设计 93

6.2.3 实验3：PID控制器的动态特性 96

6.2.4 实验4：自动控制系统的校正 98

第7章 离散控制系统 103

7.1 基本理论 104

7.1.1 离散控制的基本概念 104

7.1.2 离散系统的定义 104

7.1.3 离散系统的特点 104

7.2 采样定理 105

7.2.1 采样的基本过程 105

7.2.2 采样定理 106

7.2.3 信号的恢复和零阶保持器 106

7.2.4 离散系统的稳定性和校正 107

7.3 实验项目 108

7.3.1 实验1：离散系统的稳定性仿真分析 108

7.3.2 实验2：离散系统的稳定性分析 112

7.3.3 实验3：离散系统的校正仿真分析 115

7.3.4 实验4：离散控制系统的校正 118

第8章 非线性控制系统 121

8.1 典型非线性环节 122

8.2 实验项目 124

8.2.1 实验1：典型非线性环节 124

8.2.2 实验2：非线性控制系统 127

第9章 线性系统状态空间分析与综合 132

9.1 线性系统的状态空间描述 133

9.1.1 线性系统的状态空间描述的术语 133

9.1.2 状态空间表达式的建立 133

9.1.3 实验：利用MATLAB进行状态空间模型的建立和转换 134

9.2 控制系统的运动分析 140

9.2.1 线性定常系统的状态转移矩阵 140

9.2.2 线性定常系统的响应 142

9.2.3 实验：用MATLAB语言对状态空间模型进行分析 142

9.3 线性控制系统的能控性、能观性和稳定性 146

9.3.1 能控性与能观性的基本概念 146

9.3.2 线性定常系统稳定性判据 147

9.3.3 实验：判断系统的能控性、能观性和稳定性 147

9.4 线性定常系统综合 150

9.4.1 基本概念 150

9.4.2 实验1：极点配置和状态观测器设计 152

9.4.3 实验2：带有状态观测器的闭环控制系统 155

第10章 控制理论综合设计实验 159

10.1 基于MATLAB的控制系统设计实验 160

10.1.1 实验1：扰动补偿的复合校正 160

10.1.2 实验2：输入补偿的复合校正 163

10.1.3 实验3：跟踪系统的状态空间设计 165

10.2 直线型倒立摆综合设计实验 170

10.2.1 实验1：直线一级倒立摆的数学模型 170

10.2.2 实验2：经典PID控制实验 173

10.2.3 实验3：状态空间极点配置实验 175

10.2.4 实验4：LQR控制器设计与调节实验 177

10.2.5 实验5：直线一级柔性连接倒立摆系统的控制实验 181

10.2.6 实验6：LQR控制器（能量自摆起）实验 189

参考文献 194

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