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第1章　绪论1

1.1 引言1

1.1.1 自动控制理论概述1

1.1.2 自动控制的发展历史及现状1

1.1.3　自动控制的基本方法2

1.1.4　控制系统的分类5

1.1.5　控制系统的研究内容和方法7

1.1.6　对控制系统的基本要求7

习题9

第2章　控制系统的数学模型10

2.1　列写系统的微分方程10

2.1.1　机械系统10

2.1.2　电路系统11

2.1.3　机电系统11

2.1.4　非线性方程的线性化12

2.2　传递函数13

2.2.1　传递函数的概念13

2.2.2　传递函数的定义14

2.2.3　传递函数的性质15

2.2.4　传递函数的求法15

2.3　系统的动态结构图16

2.3.1　动态结构图16

2.3.2　动态结构图的绘制17

2.3.3　动态结构图的基本连接方式18

2.4　动态结构图的等效变换19

2.4.1　相加点的移动19

2.4.2　分支点的移动20

2.5　信号流图与梅逊公式22

2.5.1　信号流图的组成22

2.5.2　信号流图的绘制23

2.5.3　梅逊（S.J.Mason）公式24

2.6　系统的传递函数26

2.6.1 闭环控制系统的开环传递函数26

2.6.2　给定输入信号r（t）作用下的闭环传递函数26

2.6.3　扰动信号n（t）作用下的闭环传递函数27

2.6.4　系统的总输出27

2.6.5　闭环系统的误差传递函数27

习题28

第3章　时域分析法32

3.1 系统性能指标及动态性能分析32

3.1.1　典型输入信号和时域性能指标32

3.1.2　控制系统的性能指标34

3.2　一阶系统的时域分析35

3.2.1　一阶系统的单位阶跃响应36

3.2.2　一阶系统的单位斜坡响应37

3.2.3　一阶系统的单位脉冲响应37

3.3　二阶系统的时域分析38

3.3.1　二阶系统的单位阶跃响应38

3.3.2　二阶系统的性能指标41

3.3.3　改善二阶系统性能的措施44

3.4　高阶系统的时域分析46

3.5　控制系统的稳定性分析47

3.5.1 系统稳定的充分与必要条件47

3.5.2　劳斯（Routh）稳定判据48

3.5.3　两种特殊情况50

3.5.4　劳斯稳定判据在控制系统中的应用51

3.6　控制系统的稳态误差分析53

3.6.1　给定信号作用下的稳态误差及误差系数53

3.6.2　扰动信号作用下的稳态误差57

3.6.3　改善系统稳态精度的方法58

习题60

第4章　根轨迹法63

4.1　根轨迹的基本概念63

4.1.1 基本概念63

4.1.2　概轨迹的特点64

4.1.3　根轨迹方程64

4.1.4　根轨迹方程的应用65

4.2　绘制根轨迹的一般规则66

4.2.1　根轨迹的分支数66

4.2.2　根轨迹的连续性与对称性66

4.2.3　根轨迹的起点与终点66

4.2.4　根轨迹的渐近线67

4.2.5　实轴上的根轨迹68

4.2.6　根轨迹的分离点和会合点69

4.2.7　出射角与入射角70

4.2.8　根轨迹与虚轴的交点71

4.2.9　闭环极点的和与积73

4.2.10　开环增益K＊的求取74

4.3　控制系统根轨迹分析76

4.3.1 闭环零、极点与系统的阶跃响应76

4.3.2 利用主导极点估算系统的性能指标77

4.3.3　通过改造根轨迹改善系统的品质78

4.4　广义根轨迹78

4.4.1　参数根轨迹78

4.4.2　零度根轨迹80

习题82

第5章　频域分析法84

5.1　频率特性84

5.1.1　频率特性的概念84

5.1.2　频率特性的图示方法85

5.2　典型环节的频率特性88

5.2.1 比例（放大）环节88

5.2.2　积分环节89

5.2.3　微分环节90

5.2.4　惯性环节90

5.2.5　一阶微分环节92

5.2.6　振荡环节93

5.3　系统开环频率特性图的绘制96

5.3.1 系统开环频率特性函数极坐标图的绘制96

5.3.2　系统开环对数频率特性图的绘制97

5.3.3　根据频率特性确定传递函数99

5.4　稳定判据101

5.4.1 系统开环特征式和闭环特征式的关系101

5.4.2　奈奎斯特稳定判据101

5.4.3　对数频率稳定判据103

5.4.4　稳定裕度104

5.5　开环频率特性与时域指标的关系106

习题108

第6章 系统的校正方法112

6.1　校正的基本概念112

6.1.1　性能指标112

6.1.2　校正系统的结构113

6.2　串联校正装置的结构、特性和功能114

6.2.1　超前校正装置114

6.2.2　滞后校正装置116

6.2.3　滞后—超前校正装置117

6.3　串联校正的频率响应设计法119

6.3.1 串联超前校正119

6.3.2　串联滞后校正122

6.3.3　串联滞后—超前校正123

6.4 几种基本的控制规律124

6.4.1 比例控制（P控制）124

6.4.2 比例＋微分控制（PD控制）124

6.4.3 比例＋积分控制（P1控制）125

6.4.4　比例＋积分＋微分控制（PID控制）125

习题126

第7章　线性离散系统的分析与综合128

7.1　采样过程128

7.2　采样周期的选择130

7.2.1　采样定理130

7.2.2　采样周期的选取131

7.3　信号保持131

7.3.1　零阶保持器132

7.3.2　一阶保持器133

7.4　Z变换134

7.4.1　Z变换134

7.4.2　Z变换的基本定理137

7.4.3　Z反变换139

7.5　脉冲传递函数141

7.5.1　线性数字控制系统的开环脉冲传递函数143

7.5.2　线性数字控制系统的闭环脉冲传递函数146

7.6　稳定性分析148

7.6.1　s平面与z平面的映射关系148

7.6.2　线性数字控制系统稳定的充要条件149

7.6.3　劳斯（Routh）稳定判据150

7.7　线性数字控制系统的时域分析152

7.7.1　线性数字控制系统的响应过程152

7.7.2　线性数字控制系统的稳定误差153

习题156

第8章　状态空间分析方法160

8.1 状态空间的基本概念160

8.1.1 状态、状态变量、状态向量和状态空间160

8.1.2 状态方程和输出方程164

8.2　系统的状态空间表达式166

8.2.1 由高阶微分方程式导出系统的状态空间表达式166

8.2.2 由传递函数导出状态空间表达式171

8.3　传递矩阵、特性方程和线性变换179

8.3.1　传递矩阵的概念179

8.3.2　特征方程和特征值183

8.3.3　状态变量的非惟一性184

8.3.4 系统特征值的不变性及系统的不变量184

8.3.5　矩阵的对角线化——相似变换186

8.4　线性离散系统的状态空间表达式189

8.4.1 从高阶差分方程导出离散状态空间表达式189

8.4.2　从脉冲传递函数导出离散状态空间表达式192

8.4.3　连续状态方程的离散化195

8.5 状态方程的求解及状态转移矩阵197

8.5.1　连续线性定常系统状态方程的齐次解197

8.5.2　状态转移矩阵199

8.5.3　连续线性定常系统状态方程的非齐次解202

8.5.4　线性离散系统状态方程的求解205

8.6　线性系统的可控性和可观性208

8.6.1　状态可控性209

8.6.2　输出完全可控的条件216

8.6.3　状态可观测性217

8.6.4　对偶原理223

8.6.5　可控性、可观测性与传递函数的关系224

8.7　控制系统的状态空间综合法228

8.7.1　状态反馈和极点的任意配置228

8.7.2　状态观测器233

8.7.3　解耦控制系统238

习题241

附录A　拉普拉斯变换245

附录B　常见函数拉普拉斯变换对照表252

参考文献253