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第1章 控制系统导论 1

1.1 引言 1

1.2 自动控制理论发展概述 1

1.3 自动控制的基本原理 3

1.3.1 人工控制与自动控制 3

1.3.2 自动控制系统基本控制方式 5

1.4 自动控制系统的结构 9

1.4.1 基本组成 9

1.4.2 常用术语 10

1.5 自动控制系统的分类 11

1.5.1 恒值系统、随动系统和程序控制系统 11

1.5.2 定常系统和时变系统 11

1.5.3 线性系统和非线性系统 12

1.5.4 连续系统和离散系统 13

1.5.5 单变量系统和多变量系统 13

1.6 控制系统示例 13

1.6.1 电压调节系统 13

1.6.2 温度控制系统 14

1.6.3 火炮方位角控制系统 15

1.6.4 飞机自动驾驶仪系统 16

1.7 控制系统性能的基本要求 17

1.7.1 稳定性 17

1.7.2 快速性 17

1.7.3 准确性 18

习题 18

第2章 线性连续系统的数学模型 22

2.1 动态微分方程的建立 22

2.1.1 动态微分方程 22

2.1.2 例题 23

2.1.3 线性微分方程的特性 26

2.1.4 标准微分方程的求解 26

2.2 非线性数学模型的线性化 28

2.2.1 单变量的非线性系统y＝f（x） 28

2.2.2 多变量的非线性函数y＝f（x1，x2，&,xn） 29

2.2.3 非线性数学模型的线性化步骤 29

2.2.4 例题 29

2.3 传递函数 31

2.3.1 传递函数的定义 31

2.3.2 传递函数的描述形式 32

2.3.3 传递函数的性质 34

2.4 系统动态结构图 35

2.4.1 系统结构图的组成 36

2.4.2 系统动态结构图的绘制步骤 36

2.4.3 自动控制系统中的典型环节 36

2.4.4 结构图的绘制示例 40

2.4.5 结构图的等效变换和简化 42

2.4.6 结构图简化示例 46

2.4.7 多个输入信号的闭环传递函数 49

2.5 信号流程图 50

2.5.1 基本概念 50

2.5.2 常用术语 50

2.5.3 信号流程图的基本性质 51

2.5.4 信号流程图的简化 51

2.5.5 信号流程图的绘制 52

2.5.6 梅逊公式及其应用 54

习题 57

第3章 控制系统的时域分析 60

3.1 概述 60

3.1.1 常用的典型输入信号 60

3.1.2 时域性能指标 62

3.2 一阶系统的时域分析 64

3.2.1 一阶系统的数学模型 64

3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应 65

3.2.3 一阶系统的单位斜坡响应 66

3.2.4 一阶系统的单位脉冲响应 67

3.2.5 一阶系统的单位抛物线响应 67

3.3 二阶系统的时域分析 70

3.3.1 二阶系统的数学模型 70

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应 71

3.3.3 二阶系统的单位阶跃响应性能指标 75

3.4 高阶系统的时域分析 78

3.4.1 高阶系统的单位阶跃响应 78

3.4.2 闭环零点、极点对系统性能的影响 78

3.4.3 闭环主导极点和非主导零点对系统性能的影响 79

3.5 线性系统的稳定性分析 80

3.5.1 稳定性的概念 80

3.5.2 系统稳定的充要条件 80

3.5.3 稳定性判据 81

3.6 线性系统的稳态误差 85

3.6.1 误差与稳态误差 85

3.6.2 稳态误差的计算 86

3.6.3 减小稳态误差的方法 91

3.7 MATLAB时域分析应用 93

3.7.1 稳定性分析 93

3.7.2 动态性能分析 93

3.7.3 综合应用 94

习题 95

第4章 控制系统的根轨迹绘制及分析 98

4.1 根轨迹的基本概念 98

4.1.1 根轨迹概念 98

4.1.2 根轨迹与系统性能 100

4.2 根轨迹增益及根轨迹方程 100

4.2.1 根轨迹增益 100

4.2.2 根轨迹方程 102

4.3 绘制根轨迹基本条件及基本原则 103

4.3.1 绘制根轨迹的基本条件 103

4.3.2 绘制根轨迹的基本原则 105

4.3.3 系统参量根轨迹绘制步骤及分析 108

4.3.4 绘制根轨迹及根轨迹例题 109

4.4 根轨迹与系统性能的关系 114

4.5 使用MATLAB绘制根轨迹 117

4.5.1 MATLAB中的根轨迹绘制函数 117

4.5.2 例题 118

习题 121

第5章 控制系统的频率特性及频域分析 122

5.1 频率特性的基本概念 122

5.1.1 频率特性的定义 122

5.1.2 频率特性的表示方法 125

5.2 典型环节的频率特性 128

5.2.1 比例环节 128

5.2.2 微分环节 129

5.2.3 积分环节 130

5.2.4 惯性环节 131

5.2.5 一阶微分环节 133

5.2.6 二阶振荡环节 134

5.2.7 二阶微分环节 136

5.2.8 延迟环节 137

5.3 控制系统的开环频率特性 138

5.3.1 系统开环幅相频率特性的绘制 138

5.3.2 系统开环对数频率特性的绘制 140

5.3.3 最小相位系统和非最小相位系统 144

5.4 频域稳定性判据 144

5.4.1 奈奎斯特稳定判据 145

5.4.2 对数稳定判据 148

5.5 频域稳定裕度 150

5.5.1 稳定裕度的定义 150

5.5.2 稳定裕度的计算 151

5.6 利用开环对数幅频特性分析系统的性能 152

5.6.1 L（ω）低频段特性与系统稳态误差的关系 153

5.6.2 L（ω）中频段特性与系统动态性能的关系 153

5.6.3 L（ω）高频段特性与系统抗高频干扰能力的关系 156

5.7 利用闭环频率特性分析系统的性能 157

5.7.1 闭环频率特性的几个特征量 157

5.7.2 闭环频域指标与时域指标的关系 157

5.8 MATLAB频域分析应用 159

5.8.1 伯德图和奈奎斯特图 159

5.8.2 综合应用 159

习题 160

第6章 控制系统的频率法校正 164

6.1 频率法校正的基本概念 164

6.1.1 性能指标 164

6.1.2 校正的方式 165

6.2 无源校正装置 166

6.2.1 系统的无源网络的串联超前校正 166

6.2.2 无源网络串联滞后校正 168

6.2.3 无源网络相位滞后－超前校正 169

6.2.4 例题 171

6.3 有源校正系统 176

6.4 PID控制器 178

6.4.1 PID控制器的结构 179

6.4.2 PID控制器的使用 179

6.4.3 工业控制中常用的PID组合 179

习题 180

第7章 能源与动力控制系统的工业应用 182

7.1 水处理系统 182

7.2 水轮机调节系统 183

7.2.1 调节系统工作原理 185

7.2.2 双重调节的水轮机调节系统原理简图 188

7.3 空调控制系统 188

附录1 拉普拉斯变换 191

附录2 MATLAB辅助分析与设计法 194

参考文献 198

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