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1.1 系统、反馈与控制1

第1章 绪论1

1.2 反馈控制系统举例4

1.3 反馈及前馈控制原理7

1.4 自动控制发展简史8

1.5 本课程学习内容9

1.6 本章小结10

1.7 思考题与作业10

2.1.1 数学模型的基本概念12

2.1.2 建模的基本方法12

2.1 数学模型12

第2章 动态系统的数学描述12

2.1.3 反馈控制系统对模型的基本要求13

2.2 时域描述13

2.2.1 用常微分方程（ODE）表达的数学模型——平衡的观点14

2.2.2 用常微分—代数方程表达的数学模型——约束的存在15

2.2.3 用一阶常微分方程组表达的数学模型——状态空间模型16

2.2.4 其他建模方法19

2.3 S域描述19

2.3.1 拉普拉斯变换及性质19

2.3.2 传递函数21

2.4 频域描述24

2.4.1 认识频率响应24

2.4.2 典型环节的频率特性25

2.5 微分方程的解29

2.5.1 初值问题29

2.5.2 数值解法29

2.5.3 解的存在与唯一性问题31

2.5.4 二阶线性系统阶跃响应分析32

2.6 模型转换38

2.6.1 传递函数转换为状态空间模型38

2.6.2 状态空间模型转换为传递函数43

2.6.3 传递函数的实数极点模型转换为状态空间模型45

2.7 本章小结48

2.8 思考题与作业48

第3章 控制系统的数学模型53

3.1 典型环节的模型及响应53

3.2 控制系统的方框图与化简58

3.2.1 方框图的建立58

3.2.2 方框图的化简规则61

3.3 信号流图与梅逊（Mason）公式68

3.5 思考题与作业72

3.4 本章小结72

第4章 经典的控制工程数值与计算工具76

4.1 数值仿真76

4.1.1 数值积分法76

4.1.2 计算实例79

4.2 回路与闭环传递函数80

4.3 系统零点与极点的计算83

4.3.1 零点与极点的定义83

4.3.2 零点与极点的分布及系统闭环响应83

4.4 频域Nyquist方法86

4.4.1 频率特性的概念86

4.4.2 频率特性曲线的绘制90

4.4.3 频谱、带宽和滤波器94

4.4.4 频率特性的绘制实例95

4.5 频域Bode方法96

4.5.1 典型动态特性的Bode图绘制96

4.5.2 复杂动态特性的Bode图绘制102

4.6 根轨迹方法107

4.6.1 根轨迹的基本概念107

4.6.2 常规根轨迹绘制的基本法则110

4.6.3 广义根轨迹114

4.8 思考题与作业117

4.7 本章小结117

第5章 线性定常连续时间控制系统的分析123

5.1 稳定性分析123

5.1.1 平衡与稳定性123

5.1.2 基于微分方程特征根的解析方法125

5.1.3 基于多项式系数构造的解析方法——Routh-Hurwitz稳定判据127

5.1.4 基于开环零极点分布的图解方法——根轨迹法132

5.1.5 基于频率特性的图解方法——Nyquist稳定性判据133

5.1.6 基于频率特性的图解方法——Bode稳定性判据135

5.1.7 稳定性分析的一般方法——李雅普诺夫稳定性判据137

5.2 鲁棒稳定性142

5.2.1 稳定裕度的概念143

5.2.2 鲁棒稳定性定理146

5.3 系统静态特性分析148

5.4 系统动态特性分析153

5.5 本章小结155

5.6 思考题与作业155

第6章 线性定常连续时间控制系统的设计159

6.1 控制问题的一般定义159

6.1.1 单变量控制系统的校正方式159

6.1.2 性能指标160

6.2 S域设计162

6.2.1 等效二阶系统方法162

6.2.2 零极点消去法164

6.2.3 极点配置166

6.3 频域描述——滞后／超前补偿169

6.4 状态与输出反馈171

6.4.1 可达性171

6.4.2 状态反馈173

6.4.3 可观测性175

6.4.4 观测器176

6.4.5 输出反馈184

6.5 内模控制系统设计186

6.5.1 系统组成186

6.5.2 内模控制的基本性质187

6.5.3 开环稳定系统的内模控制器设计188

6.5.4 鲁棒稳定性在线调整方法189

6.6 本章小结190

6.7 思考题与作业190

第7章 离散时间控制系统分析与设计194

7.1 连续信号的离散时间表示194

7.2.2 基本性质197

7.2 Z变换及其性质197

7.2.1 定义197

7.2.3 Z变换与Z反变换的方法199

7.3 动态系统的离散时间域表示203

7.3.1 差分方程203

7.3.2 脉冲传递函数与阶跃响应205

7.4 Z变换与拉普拉斯变换的关系209

7.5 δ变换及性质210

7.5.1 δ变换的定义210

7.5.2 δ变换的性质211

7.6.1 线性采样系统的稳定性212

7.6 线性定常离散控制系统的Z域分析212

7.6.2 线性采样系统的瞬态响应215

7.6.3 稳态误差215

7.7 线性定常离散控制系统的Z域设计216

7.8 本章小结217

7.9 思考题与作业218

第8章 非线性控制系统分析222

8.1 非线性系统的特征222

8.2 相平面分析法224

8.2.1 相平面图概念224

8.2.2 线性系统的相平面图分析228

8.2.3 非线性系统的相平面图分析230

8.3 描述函数法234

8.3.1 描述函数分析基础234

8.3.2 常见非线性环节及其描述函数表示235

8.3.3 非线性系统的描述函数分析238

8.4 李雅普诺夫函数法241

8.4.1 平衡点与稳定性概念242

8.4.2 李雅普诺夫稳定性直接判别法244

8.4.3 基于李雅普诺夫方法的线性系统分析247

8.4.4 基于李雅普诺夫方法的非线性系统分析251

8.6 思考题与作业255

8.5 本章小结255

第9章 非线性控制系统设计258

9.1 反馈线性化方法258

9.1.1 基本概念258

9.1.2 反馈线性化方法260

9.1.3 反馈线性化方法设计263

9.2 Back-stepping方法268

9.2.1 基本原理268

9.2.2 设计举例270

9.3.1 基本原理272

9.3 滑动模态控制方法简介272

9.3.2 设计举例275

9.4 自适应控制方法简介277

9.4.1 基本原理277

9.4.2 设计举例286

9.5 本章小结287

9.6 思考题与作业287

第10章 应用最广泛的两类控制算法——PID和MPC290

10.1 PID控制算法290

10.1.1 PID控制组成290

10.1.2 积分饱和294

10.1.3 PID参数整定296

10.2 MPC控制算法298

10.2.1 引言298

10.2.2 动态矩阵控制299

10.2.3 设计举例与仿真演示302

10.3 本章小结308

10.4 思考题与作业308

附录A 控制系统分析与设计的数学基础309

附录B MATLAB编程与Simulink仿真简介319

参考文献328