第1章 绪论 1
1.1 自动控制发展简介 1
1.2 自动控制系统的主要任务与基本要求 3
1.2.1 自动控制的主要任务 4
1.2.2 自动控制系统的基本要求 4
1.3 自动控制的基本原理与方式 5
1.3.1 开环控制 6
1.3.2 闭环控制 8
1.3.3 复合控制 10
1.4 自动控制系统的分类 11
1.4.1 连续线性定常控制系统 11
1.4.2 非线性控制系统 12
1.5 自动控制系统实例 13
1.5.1 温度控制系统 13
1.5.2 速度控制系统 14
1.5.3 位置控制系统 15
习题 16
第2章 控制系统建模 19
2.1 微分方程建模的一般方法 19
2.1.1 线性元件的微分方程 20
2.1.2 控制系统的微分方程 22
2.1.3 线性系统的基本特征 23
2.1.4 非线性系统的线性化 24
2.2 拉氏变换与传递函数 25
2.2.1 拉氏变换的定义 25
2.2.2 拉氏变换的性质与定理 26
2.2.3 用拉氏变换求解微分方程 29
2.2.4 传递函数的定义与性质 31
2.2.5 典型环节的传递函数 33
2.3 控制系统的动态结构图 36
2.3.1 动态结构图的组成及绘制 36
2.3.2 动态结构图的等效变换及化简 39
2.3.3 闭环系统的传递函数 45
2.4 信号流图及梅逊公式 47
2.4.1 信号流图的基本要素 48
2.4.2 信号流图的术语、性质及绘制 48
2.4.3 信号流图的等效变换 51
2.4.4 梅逊公式 52
2.5 控制系统建模的MATLAB方法 54
2.5.1 传递函数模型 54
2.5.2 零、极点模型 54
2.5.3 结构图模型 55
习题 56
第3章 线性系统的时域分析法 61
3.1 典型输入信号与时域性能指标 61
3.1.1 典型输入信号及其拉氏变换 61
3.1.2 稳态响应和动态响应 64
3.1.3 时域性能指标 64
3.2 一阶系统分析 66
3.2.1 一阶系统的单位阶跃响应 66
3.2.2 一阶系统的单位斜坡响应 68
3.2.3 一阶系统的单位加速度响应 68
3.2.4 一阶系统的单位脉冲响应 69
3.3 二阶系统分析 71
3.3.1 二阶系统的单位阶跃响应 71
3.3.2 二阶系统单位阶跃响应的性能指标 77
3.3.3 欠阻尼二阶系统的单位斜坡响应 83
3.3.4 增加零、极点对动态性能的影响 84
3.4 高阶系统分析 89
3.4.1 高阶系统单位阶跃响应 89
3.4.2 闭环主导极点与偶极子 90
3.5 稳定性与代数判据 91
3.5.1 稳定性的基本概念 91
3.5.2 线性定常系统稳定的充分必要条件 92
3.5.3 代数稳定性判据 93
3.6 控制系统的稳态误差 99
3.6.1 误差的定义 99
3.6.2 系统的类型 100
3.6.3 给定稳态误差 101
3.6.4 扰动稳态误差 103
3.6.5 改善稳态精度的方法 105
3.7 时域分析的MATLAB方法 107
3.7.1 典型输入信号的响应 107
3.7.2 计算动态性能指标 111
3.7.3 分析系统的稳定性 112
习题 113
第4章 线性系统的根轨迹法 117
4.1 根轨迹的基本概念 117
4.1.1 根轨迹的定义 117
4.1.2 根轨迹与系统性能 118
4.1.3 根轨迹方程与条件 119
4.2 绘制根轨迹的基本法则 121
4.2.1 常规根轨迹绘制法则 121
4.2.2 零度根轨迹绘制法则 134
4.2.3 参数根轨迹 136
4.3 控制系统的根轨迹分析 138
4.3.1 单位阶跃响应的根轨迹定性分析 139
4.3.2 利用主导极点估算系统的性能 140
4.3.3 控制系统的稳定性分析 142
4.3.4 改变系统结构对根轨迹的影响 144
4.4 基于MATLAB的根轨迹分析 147
4.4.1 绘制根轨迹 147
4.4.2 分析控制系统 149
习题 152
第5章 线性系统的频率法 154
5.1 频率响应与频率特性 154
5.1.1 频率响应 154
5.1.2 频率特性 155
5.2 典型环节的频率特性 161
5.2.1 比例环节 161
5.2.2 惯性环节 162
5.2.3 积分环节 164
5.2.4 微分环节 165
5.2.5 振荡环节 165
5.2.6 延迟环节 168
5.2.7 一阶微分环节和二阶微分环节 168
5.3 开环频率特性图的绘制 170
5.3.1 开环幅相特性曲线的绘制 170
5.3.2 开环对数频率特性曲线的绘制 177
5.3.3 最小相位系统与非最小相位系统 180
5.4 控制系统的频率稳定判据 184
5.4.1 辐角原理 185
5.4.2 奈奎斯特稳定判据 186
5.4.3 奈奎斯特稳定判据的应用 188
5.5 稳定裕度 195
5.5.1 幅相频率特性与稳定裕度 195
5.5.2 对数频率特性与稳定裕度 197
5.6 闭环系统的频率特性 199
5.6.1 向量法 199
5.6.2 等M圆和等N圆法 200
5.6.3 尼科尔斯图法 203
5.6.4 非单位反馈系统的闭环频率特性 206
5.6.5 闭环频域性能指标 206
5.7 频率特性分析与时域性能指标 207
5.7.1 频率特性的重要性质 207
5.7.2 开环频率特性分析 208
5.7.3 闭环频率特性分析 212
5.8 基于MATLAB的频域分析 214
5.8.1 利用MATLAB绘制伯德图 214
5.8.2 利用MATLAB绘制奈奎斯特图 217
5.8.3 利用MATLAB绘制尼科尔斯图 217
5.8.4 利用MATLAB求频域性能指标 219
习题 221
第6章 控制系统的校正 226
6.1 系统校正概述 226
6.1.1 校正的概念 226
6.1.2 性能指标 227
6.1.3 校正方式 228
6.1.4 校正装置的设计方法 230
6.1.5 频率特性校正法 230
6.2 串联校正 231
6.2.1 串联超前校正 232
6.2.2 串联滞后校正 235
6.2.3 串联滞后-超前校正 239
6.3 反馈校正 242
6.3.1 反馈校正的原理与特点 242
6.3.2 综合法反馈校正 245
6.4 复合校正 250
6.4.1 按输入补偿的复合校正 250
6.4.2 按扰动补偿的复合校正 251
6.5 PID控制器 252
6.5.1 PID控制规律 253
6.5.2 PID控制参数设计 255
习题 259
第7章 非线性控制系统分析 261
7.1 典型非线性环节与非线性特性 261
7.1.1 典型非线性环节 261
7.1.2 非线性系统的特性 263
7.2 描述函数法 264
7.2.1 描述函数法的定义 264
7.2.2 典型非线性特性的描述函数 266
7.2.3 用描述函数法分析非线性系统 271
7.3 相平面法 274
7.3.1 相平面法的基本概念 274
7.3.2 线性系统的相轨迹 275
7.3.3 相轨迹的性质 279
7.4 相轨迹的作图法 279
7.4.1 解析法 280
7.4.2 图解法 280
7.5 非线性系统的相平面分析 283
7.5.1 奇点和极限环 284
7.5.2 由相平面图求时间解 286
7.5.3 相平面分析举例 288
习题 293
参考文献 296