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第1章 绪论1

1.1 自动控制的发展概述1

1.2 控制系统工作原理3

1.3 自动控制系统的类型5

1.3.1 开环控制系统和闭环控制系统5

1.3.2 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统7

1.3.3 连续控制系统和离散控制系统8

1.3.4 线性控制系统和非线性控制系统9

1.3.5 单变量控制系统和多变量控制系统10

1.4 小结11

习题12

第2章 线性控制系统的运动方程及模型描述15

2.1 引言15

2.2 传递函数16

2.2.1 传递函数的定义16

2.2.2 传递函数的极点和零点17

2.2.3 典型环节及其传递函数17

2.3 线性控制系统的数学模型20

2.3.1 电气系统的数学模型20

2.3.2 机械系统的数学模型23

2.3.3 工业过程装置的数学模型25

2.3.4 检测与执行装置的数学模型31

2.3.5 典型对象或环节的数学模型37

2.4 框图45

2.4.1 框图的基本符号和连接45

2.4.2 框图的变换和简化47

2.5 信号流图53

2.5.1 信号流图常用术语54

2.5.2 框图及相应的信号流图55

2.5.3 框图与信号流图的转换56

2.5.4 信号流图的运算与简化规则57

2.5.5 梅森增益公式59

2.6 应用MATLAB对数学模型进行描述62

2.6.1 应用MATLAB进行数学模型转换62

2.6.2 应用MATLAB求系统时域解63

2.6.3 基于MATLAB求取系统传递函数65

2.7 小结67

习题68

第3章 连续控制系统的时域和频域分析方法75

3.1 引言75

3.2 连续控制系统的时域分析法76

3.2.1 典型输入信号76

3.2.2 控制系统的瞬态响应及性能指标80

3.3 连续控制系统的根轨迹分析法98

3.3.1 根轨迹法的基本概念99

3.3.2 绘制根轨迹的基本条件和规则100

3.3.3 根轨迹绘制方法举例113

3.4 连续控制系统的频域分析法125

3.4.1 频率特性及其与传递函数的关系125

3.4.2 频率特性的图示方法128

3.5 基于MATLAB的时域和频域分析方法155

3.5.1 利用MATLAB求系统的时域响应155

3.5.2 利用MATLAB计算时域性能指标157

3.5.3 应用MATLAB分析系统根轨迹159

3.5.4 应用MATLAB绘制Bode图示例164

3.5.5 应用MATLAB绘制Nyquist图示例169

3.5.6 应用MATLAB绘制Nichols图示例174

3.6 小结178

习题179

第4章 闭环控制系统的稳定性分析183

4.1 引言183

4.2 劳斯稳定判据183

4.2.1 系统稳定性的初步判别184

4.2.2 劳斯判据185

4.2.3 劳斯判据的特殊情况187

4.2.4 劳斯判据的应用190

4.3 奈奎斯特稳定判据192

4.3.1 映射定理193

4.3.2 奈奎斯特稳定判据原理198

4.3.3 开环极点或零点位于jω轴上时的奈奎斯特判据202

4.4 伯德图的稳定性分析206

4.4.1 增益裕量和相角裕量207

4.4.2 相角裕量与过渡过程性能指标的关系210

4.4.3 最小相位系统和非最小相位系统213

4.5 闭环频率特性214

4.5.1 由开环频率特性求取闭环频率特性214

4.5.2 等M圆图和等N圆图215

4.5.3 尼柯尔斯图线217

4.6 应用MATLAB判断系统的稳定性220

4.7 小结221

习题222

第5章 闭环控制系统的误差分析225

5.1 引言225

5.2 控制系统的稳态误差225

5.2.1 稳态误差和误差传递函数225

5.2.2 控制系统的结构类型227

5.2.3 给定输入下（随动系统）的稳态误差227

5.2.4 扰动输入下（定值系统）的稳态误差229

5.3 稳态误差与对数幅频特性曲线的关系232

5.3.1 稳态位置误差系数的确定232

5.3.2 稳态速度误差系数的确定232

5.3.3 稳态加速度误差系数的确定233

5.3.4 减小稳态误差的若干措施233

5.4 小结235

习题236

第6章 闭环控制系统的综合校正237

6.1 引言237

6.2 控制系统的根轨迹校正方法237

6.2.1 基于根轨迹的超前校正239

6.2.2 基于根轨迹的滞后校正242

6.3 控制系统的频率特性校正方法245

6.3.1 基于伯德图的超前校正246

6.3.2 基于伯德图的滞后校正249

6.4 PID控制器特性分析及应用253

6.4.1 PID控制规律253

6.4.2 PID控制器参数对控制过程的影响257

6.4.3 PID控制器参数对系统根轨迹的影响260

6.4.4 PID控制器参数对系统频率特性稳定裕量的影响266

6.5 小结271

习题272

第7章 离散控制系统274

7.1 引言274

7.1.1 离散信号274

7.1.2 离散系统275

7.1.3 离散系统的研究方法276

7.2 信号的采样和保持277

7.2.1 采样过程及其数学描述277

7.2.2 采样定理与保持器279

7.3 Z变换284

7.3.1 Z变换的定义284

7.3.2 Z变换的求法285

7.3.3 Z变换的基本定理288

7.3.4 Z反变换292

7.3.5 改进Z变换295

7.4 离散系统的数学描述297

7.4.1 差分方程297

7.4.2 脉冲传递函数299

7.5 离散系统的分析与设计308

7.5.1 离散系统的稳定性分析308

7.5.2 离散系统的稳态性能分析317

7.5.3 离散系统的动态性能分析319

7.5.4 数字控制器的设计327

7.6 MATLAB在离散系统中的应用332

7.6.1 连续系统的离散化332

7.6.2 离散系统的时域分析333

7.7 小结334

习题335

第8章 控制系统的状态空间分析与设计338

8.1 引言338

8.2 控制系统的状态空间描述339

8.2.1 状态空间描述的基本概念339

8.2.2 状态空间表达式的建立345

8.2.3 状态空间的线性变换与规范化362

8.2.4 离散系统的状态空间描述369

8.3 线性系统状态方程的解法375

8.3.1 线性定常连续系统状态方程的解法375

8.3.2 线性定常离散系统状态方程的解法383

8.4 线性系统的能控性和能观性386

8.4.1 能控性和能观性概念的提出386

8.4.2 线性定常连续系统能控性定义及其判据388

8.4.3 线性定常连续系统能观性定义及其判据395

8.4.4 线性定常离散系统的能控性和能观性401

8.4.5 能控性与能观性的对偶关系405

8.4.6 能控性和能观性与传递函数（矩阵）的关系406

8.5 控制系统的状态空间设计408

8.5.1 状态反馈与极点配置408

8.5.2 状态重构与状态观测器418

8.6 MATLAB在状态空间法中的应用424

8.6.1 状态空间模型建立与转换424

8.6.2 能控性与能观性的判定425

8.6.3 状态反馈系统极点配置426

8.7 小结426

习题428

附录434

A.1 Laplace变换434

A.1.1 Laplace变换的定义434

A.1.2 基本函数的Laplace变换435

A.1.3 Laplace变换的主要运算定理437

A.2 Laplace变换求解线性常微分方程439

A.2.1 Laplace反变换439

A.2.2 Laplace变换的应用举例439

A.2.3 海维塞德（Heaviside）部分分式展开法442

参考文献448