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第1章 引论1

1.1开环控制和闭环控制3

1.1.1开环控制3

1.1.2闭环控制（反馈控制）3

1.2自动控制系统的组成及术语4

1.3自动控制系统的类型5

1.3.1按信号流向划分5

1.3.2按系统输入信号划分5

1.3.3线性系统和非线性系统6

1.3.4定常系统和时变系统6

1.3.5连续系统和离散系统6

1.3.6单输入单输出系统与多输入多输出系统6

1.4自动控制系统性能的基本要求7

1.5自动控制课程的主要任务8

1.5.1阶跃函数8

1.5.2斜坡函数（等速度函数）8

1.5.3抛物线函数（等加速度函数）9

1.5.4脉冲函数9

1.5.5正弦函数10

1.6自动控制系统实例10

1.6.1造纸机分部传动控制系统10

1.6.2谷物湿度控制系统10

1.6.3烘烤炉温度控制系统11

本章小结11

习题12

第2章 线性系统的数学模型13

2.1线性系统的微分方程14

2.2微分方程的线性化18

2.3传递函数21

2.3.1传递函数21

2.3.2传递函数的特点22

2.3.3典型环节的传递函数23

2.4方框图28

2.4.1方框图28

2.4.2系统方框图的构成28

2.4.3环节间的连接31

2.4.4方框图的变换和简化33

2.5信号流图36

2.5.1信号流图的定义36

2.5.2系统的信号流图36

2.5.3信号流图的定义和术语37

2.5.4信号流图的性质38

2.5.5信号流图的简化38

2.5.6信号流图的增益公式39

2.6 MATLAB中数学模型的表示41

2.6.1传递函数41

2.6.2传递函数的特征根及零极点图42

2.6.3控制系统的方框图模型44

2.6.4控制系统的零极点模型45

2.6.5状态空间表达式45

本章小结47

习题47

第3章 控制系统的时域分析51

3.1线性定常系统的时域响应52

3.2控制系统时域响应的性能指标53

3.2.1稳态性能指标53

3.2.2动态性能指标53

3.3线性定常系统的稳定性54

3.3.1稳定性的概念54

3.3.2线性定常系统稳定的充分必要条件54

3.3.3劳斯判据55

3.3.4赫尔维茨判据59

3.3.5系统参数对稳定性的影响61

3.3.6相对稳定性和稳定裕量62

3.4系统的稳态误差63

3.4.1误差及稳态误差的定义63

3.4.2稳态误差分析64

3.4.3稳态误差的计算65

3.4.4应用静态误差系数计算给定信号作用下的稳态误差66

3.4.5扰动信号作用下的稳态误差与系统结构的关系69

3.4.6改善系统稳态精度的途径70

3.5一阶系统的时域响应70

3.5.1数学模型70

3.5.2单位阶跃响应70

3.5.3性能指标71

3.5.4一阶系统的单位脉冲响应71

3.6二阶系统的时域响应72

3.6.1二阶系统的数学模型72

3.6.2二阶系统的单位阶跃响应72

3.6.3二阶系统的单位脉冲响应77

3.7高阶系统的瞬态响应79

3.7.1高阶系统的瞬态响应79

3.7.2高阶系统的降阶81

3.7.3零极点对阶跃响应的影响81

3.8用MATLAB和Simulink进行瞬态响应分析83

3.8.1单位脉冲响应83

3.8.2单位阶跃响应84

3.8.3斜坡响应84

3.8.4任意函数作用下系统的响应85

3.8.5 Simulink中的时域响应举例86

本章小结87

习题88

第4章 根轨迹法91

4.1根轨迹的基本概念92

4.2绘制典型根轨迹94

4.3特殊根轨迹图99

4.4用MATLAB绘制根轨迹图104

4.5控制系统的根轨迹分析105

本章小结111

习题111

第5章 控制系统的频域分析114

5.1频率特性115

5.1.1频率特性概述115

5.1.2频率特性的求取117

5.1.3频域性能指标118

5.2典型环节的频率特性118

5.2.1概述118

5.2.2典型环节的频率特性120

5.3系统的开环频率特性127

5.3.1系统的开环对数频率特性127

5.3.2系统开环极坐标图（奈氏图）130

5.3.3最小相位和非最小相位系统131

5.4奈奎斯特稳定判据133

5.4.1映射定理134

5.4.2 Nyquist轨迹及其映射136

5.4.3 Nyquist稳定判据一137

5.4.4 Nyquist稳定判据二138

5.4.5 Nyquist对数稳定判据140

5.5控制系统的相对稳定性141

5.5.1增益裕度142

5.5.2相角裕量143

5.5.3用幅相频率特性曲线分析系统稳定性145

5.6闭环频率特性145

5.6.1等M圆（等幅值轨迹）146

5.6.2等N圆（等相角轨迹）147

5.6.3利用等M圆和等N圆求单位反馈系统的闭环频率特性147

5.6.4非单位反馈系统的闭环频率特性148

5.7用频率特性分析系统品质149

5.7.1闭环频域性能指标与时域性能指标的关系149

5.7.2开环频率特性与时域响应的关系150

5.8 MATLAB频域特性分析152

5.8.1 Bode图153

5.8.2 Nyquist图154

5.8.3 Nichols图156

本章小结158

习题158

第6章 控制系统的设计和校正162

6.1概述163

6.1.1系统的性能指标163

6.1.2系统的校正165

6.2线性系统的基本控制规律166

6.2.1比例（P）控制作用167

6.2.2比例微分（PD）控制作用167

6.2.3积分（I）控制作用169

6.2.4比例积分微分（PID）控制作用169

6.3校正装置及其特性172

6.3.1超前校正装置172

6.3.2滞后校正装置173

6.3.3滞后-超前校正装置174

6.4采用根轨迹法进行串联校正176

6.4.1串联超前校正176

6.4.2串联滞后校正179

6.4.3滞后-超前校正181

6.5频率法进行串联校正182

6.5.1频率法的串联超前校正182

6.5.2频率法的串联滞后校正185

6.5.3频率法的串联滞后-超前校正187

6.5.4按期望特性对系统进行串联校正190

6.6反馈校正191

6.6.1比例负反馈校正192

6.6.2微分负反馈校正192

6.6.3反馈校正的设计193

6.7复合校正195

6.7.1反馈控制与前馈校正的复合控制195

6.7.2反馈控制与扰动补偿校正的复合控制197

6.8基于MATLAB和Simulink的线性控制系统设计197

6.8.1相位超前校正197

6.8.2相位滞后校正198

6.8.3 Simulink下的系统设计和校正199

本章小结201

习题201

第7章 非线性系统分析205

7.1常见非线性特性206

7.1.1死区特性206

7.1.2饱和特性207

7.1.3继电特性207

7.1.4间隙特性208

7.2相平面法209

7.2.1相平面的基本概念209

7.2.2相轨迹图210

7.3线性系统的相轨迹212

7.3.1二阶线性系统的相轨迹212

7.3.2奇点的稳定性214

7.4非线性系统的相平面分析216

7.4.1具有饱和特性的非线性系统217

7.4.2具有继电特性的非线性系统218

7.5描述函数法220

7.5.1描述函数定义220

7.5.2描述函数的计算221

7.5.3非线性系统的描述函数分析224

7.6基于Simulink的非线性系统分析226

本章小结228

习题229

第8章 采样控制系统232

8.1概述233

8.2采样过程与采样定理235

8.3采样信号保持器237

8.3.1零阶保持器238

8.3.2一阶保持器239

8.4 Z变换240

8.4.1 Z变换定义240

8.4.2 Z变换方法241

8.4.3 Z变换性质244

8.4.4 Z反变换246

8.5采样系统的数学模型248

8.5.1线性常系数差分方程248

8.5.2差分方程求解249

8.5.3脉冲传递函数（Z传递函数）250

8.6采样系统的稳定性分析256

8.6.1采样系统的稳定条件256

8.6.2劳斯稳定判据257

8.6.3朱利稳定判据259

8.6.4采样周期与开环增益对稳定性的影响260

8.7采样系统的稳态误差262

8.7.1单位阶跃输入时的稳态误差262

8.7.2单位斜坡输入时的稳态误差263

8.7.3单位加速度输入时的稳态误差263

8.8采样系统的暂态响应与脉冲传递函数零、极点分布的关系263

8.9采样系统的校正267

8.9.1数字控制器的脉冲传递函数267

8.9.2最少拍系统的脉冲传递函数268

8.9.3求取数字控制器的脉冲传递函数271

8.9.4关于闭环脉冲传递函数φ（z）或φe（z）的讨论272

8.10 MATLAB在采样系统中的应用275

8.10.1连续系统的离散化275

8.10.2求采样系统的响应276

本章小结278

习题279

附录A 控制系统的Simulink基础知识282

附录B 常用函数的拉普拉斯变换表289

附录C 常用函数的Z变换表291

附录D 本书所用的MATLAB和Simulink命令292

附录E 控制理论术语中英文对照297

参考文献308