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第1章 自动控制系统的基本概念 1

1.1 引言 1

1.2 反馈控制原理与系统基本组成 3

1.2.1 反馈控制原理 3

1.2.2 反馈控制系统的基本组成 4

1.3 自动控制系统的三种基本控制方式及其特点 5

1.3.1 开环控制方式 5

1.3.2 反馈控制方式 6

1.3.3 复合控制方式 8

1.4 自动控制理论的发展简史 9

1.4.1 19世纪之前的自动控制技术实践概况 9

1.4.2 19世纪的自动控制理论发展概况 10

1.4.3 20世纪前半叶的自动控制理论发展概况 10

1.4.4 20世纪后半叶的自动控制理论发展概况 11

1.5 自动控制系统的分类 12

1.5.1 恒值控制系统与随动控制系统 12

1.5.2 线性系统与非线性系统 13

1.5.3 连续系统与离散系统 13

1.6 对自动控制系统的基本要求与典型外作用 14

1.6.1 对自动控制系统的基本要求 14

1.6.2 自动控制系统的典型外作用 15

1.7 控制系统设计实例 17

1.7.1 转盘转速控制系统 17

1.7.2 飞机自动驾驶仪系统 18

1.7.3 胰岛素注射控制系统 19

1.7.4 磁盘驱动器读取系统 20

1.7.5 射电望远镜天线方位控制系统 21

习题1 22

第2章 自动控制系统的数学模型 25

2.1 引言 25

2.2 自动控制系统的微分方程描述 26

2.3 非线性微分方程的线性化 29

2.4 传递函数 30

2.5 典型环节的传递函数 32

2.6 结构图及其等效变换 37

2.6.1 结构图的基本概念 37

2.6.2 结构图的绘制 37

2.6.3 结构图的等效变换 39

2.7 信号流图及梅森增益公式 42

2.7.1 信号流图的基本概念 42

2.7.2 梅森增益公式 44

2.7.3 信号流图的绘制 46

2.8 典型反馈控制系统的传递函数与灵敏度函数 48

2.8.1 典型反馈控制系统的传递函数 48

2.8.2 误差信号与灵敏度函数 50

2.9 反馈控制系统的灵敏度 51

2.9.1 系统对参数变化的灵敏度 51

2.9.2 反馈控制系统对被控对象变化的灵敏度 52

2.10 反馈的代价 52

2.11 自动控制系统设计实例 53

2.11.1 磁盘驱动器读取系统 53

2.11.2 天线方位控制系统 55

2.12 在Matlab中描述控制系统的数学模型 56

2.12.1 控制系统在Matlab环境中的描述指令 56

2.12.2 基于Matlab指令的结构图化简 57

2.12.3 控制系统在Simulink环境中的描述 58

习题2 60

第3章 自动控制系统的时域分析 65

3.1 引言 65

3.2 极点、零点与系统响应 66

3.2.1 传递函数的极点和零点 66

3.2.2 极点和零点对系统输出的影响 67

3.3 一阶系统的时域分析 68

3.4 典型二阶系统的时域响应 69

3.5 欠阻尼二阶系统的动态性能指标 73

3.5.1 欠阻尼二阶系统 73

3.5.2 欠阻尼二阶系统的动态性能指标定义与计算分析 74

3.6 二阶系统动态性能的改善措施 81

3.6.1 比例微分控制 81

3.6.2 测速反馈控制 82

3.7 附加极点和零点对二阶系统响应的影响 83

3.7.1 附加极点对二阶系统响应的影响 83

3.7.2 附加零点对二阶系统响应的影响 84

3.8 高阶系统的时域分析 86

3.8.1 高阶系统的瞬态响应 86

3.8.2 闭环主导极点 88

3.9 线性系统的稳定性分析 90

3.9.1 稳定性的概念及系统稳定的充要条件 90

3.9.2 劳斯稳定性判据 92

3.9.3 应用劳斯判据设计系统参数 94

3.10 线性系统的稳态误差分析 97

3.10.1 引言 97

3.10.2 单位反馈系统的稳态误差 98

3.10.3 三种标准测试输入信号下的稳态误差 99

3.10.4 非单位反馈系统的稳态误差 102

3.10.5 扰动作用下的稳态误差 104

3.11 自动控制系统设计实例 107

3.11.1 磁盘驱动器读取系统 107

3.11.2 英吉利海峡海底隧道钻机 110

3.11.3 履带车辆的转向控制系统 112

3.11.4 火星漫游车 113

3.11.5 哈勃太空望远镜定向系统 115

3.12 利用Matlab进行控制系统的性能分析 117

3.13 基于Matlab的系统时域分析数学仿真实验 119

习题3 120

第4章 根轨迹法 125

4.1 引言 125

4.2 根轨迹法的基本概念 126

4.2.1 根轨迹与系统性能 126

4.2.2 根轨迹方程 127

4.3 根轨迹绘制的基本法则 128

4.4 参量根轨迹 141

4.5 增加开环极点或零点对根轨迹的影响 144

4.6 控制系统设计实例 147

4.6.1 激光操纵控制系统 147

4.6.2 磁盘驱动器读取系统 149

4.7 应用Matlab绘制根轨迹 150

4.8 基于Matlab的根轨迹数学仿真实验 152

习题4 152

第5章 频域分析法 155

5.1 引言 155

5.2 频率特性 156

5.2.1 频率特性的基本概念 156

5.2.2 频率特性的几何表示法 157

5.3 开环系统的伯德图 160

5.3.1 典型环节的伯德图 160

5.3.2 开环系统的伯德图绘制 167

5.3.3 非最小相位系统的伯德图 169

5.3.4 通过频域实验确定系统的传递函数 172

5.4 开环系统的幅相频率特性曲线 173

5.5 奈奎斯特稳定性判据 176

5.5.1 复变函数F（s）的选择及辐角原理 176

5.5.2 奈奎斯特稳定性判据 180

5.5.3 开环系统含有积分环节时奈氏判据的推广 182

5.5.4 对数频率稳定性判据 184

5.5.5 非最小相位系统的稳定性判断 186

5.6 稳定裕度 188

5.6.1 最小相位系统的稳定裕度 188

5.6.2 非最小相位系统的稳定裕度 193

5.7 控制系统频域性能指标与时域性能指标的关系 194

5.7.1 系统闭环频域指标 194

5.7.2 二阶闭环系统的闭环频域指标与时域指标的关系 196

5.7.3 开环系统频域指标与闭环系统时域指标的关系 198

5.7.4 闭环系统频域指标与开环系统频域指标的转换 201

5.8 控制系统设计实例 202

5.8.1 雕刻机控制系统 202

5.8.2 磁盘驱动器读取系统 204

5.8.3 液位控制系统 206

5.8.4 天线控制系统频域分析 207

5.9 利用Matlab进行控制系统频域分析 209

5.10 基于Matlab的系统频域分析数学仿真实验 210

习题5 211

第6章 控制系统校正 215

6.1 系统校正问题概述 215

6.2 频域串联校正的基本概念 217

6.3 超前、滞后及滞后－超前串联校正装置及其特性 218

6.3.1 超前校正器 218

6.3.2 滞后校正器 221

6.3.3 滞后－超前校正器 223

6.4 基于伯德图的超前、滞后及滞后－超前串联校正 224

6.4.1 串联超前校正 224

6.4.2 串联滞后校正 229

6.4.3 串联滞后－超前校正 232

6.4.4 三种串联校正方式的对比与可用带宽概念 235

6.5 基于期望开环频率特性的串联综合法校正 237

6.6 采用PID控制器的系统串联校正 242

6.6.1 PID控制原理简介 242

6.6.2 基于伯德图的PID控制器设计 243

6.6.3 基于极点配置法的PID控制器设计 249

6.6.4 基于高阶系统累试法的PID控制器设计 250

6.6.5 基于齐格勒－尼柯尔斯法的PID控制器设计 251

6.6.6 基于串联工程法的PID控制器设计 252

6.7 基于标准闭环传递函数的串联综合法校正 255

6.7.1 按ITAE准则确定标准传递函数 255

6.7.2 按最小节拍响应确定标准传递函数 259

6.8 反馈校正 261

6.8.1 反馈校正的基本思想 261

6.8.2 常用的反馈校正系统 262

6.9 复合校正 264

6.9.1 按扰动补偿的复合校正 264

6.9.2 按输入补偿的复合校正 266

6.10 控制系统的性能指标描述与设计约束 268

6.10.1 基于开环幅频曲线的性能指标描述与设计约束 268

6.10.2 基于灵敏度函数的性能指标描述与设计约束 269

6.11 控制系统设计实例 272

6.11.1 磁盘驱动器读取系统 272

6.11.2 热钢锭机器人控制系统 274

6.11.3 天线方位控制系统 276

6.12 利用Matlab进行控制系统校正 278

6.13 基于Matlab的系统频域校正数学仿真实验 279

习题6 279

第7章 线性离散系统分析 284

7.1 离散控制系统的基本概念 284

7.1.1 采样控制系统 284

7.1.2 数字控制系统 285

7.2 信号的采样与保持 286

7.2.1 采样过程及其数学描述 286

7.2.2 采样定理 288

7.2.3 保持器的数学描述 290

7.3 z变换理论 292

7.3.1 z变换的定义 292

7.3.2 z变换的求法 293

7.3.3 z变换的性质 296

7.3.4 z反变换 297

7.4 离散系统的数学模型 299

7.4.1 线性常系数差分方程及其解法 299

7.4.2 脉冲传递函数 301

7.4.3 开环系统脉冲传递函数 303

7.4.4 闭环系统的脉冲传递函数 305

7.5 离散系统的稳定性与稳态误差 307

7.5.1 离散系统稳定的充分必要条件 307

7.5.2 离散系统的稳定性判据 309

7.5.3 离散系统的稳态误差 311

7.6 离散系统的动态性能 314

7.7 离散控制系统串联校正设计与实现 317

7.7.1 离散控制系统串联校正设计 317

7.7.2 离散控制器的实现 320

7.8 离散控制系统设计实例 321

7.8.1 导弹数字控制系统的稳定性判断 321

7.8.2 天线方位控制系统的离散串联校正设计 322

7.9 利用Matlab进行离散控制系统分析 324

7.9.1 基本指令介绍 324

7.9.2 闭环离散系统的响应 324

7.9.3 带数字控制器的离散控制系统仿真 325

7.10 基于Matlab或Simulink的离散控制系统仿真实验 326

习题7 327

第8章 非线性系统 331

8.1 非线性系统概述 331

8.1.1 本质非线性与非本质非线性 331

8.1.2 常见非线性特性 331

8.1.3 非线性系统的运动特点 333

8.1.4 非线性系统的分析方法 333

8.2 描述函数 334

8.2.1 描述函数的基本概念 334

8.2.2 描述函数计算举例 336

8.3 用描述函数法分析非线性系统 342

8.3.1 非线性系统的稳定性分析 342

8.3.2 自激振荡的稳定性 343

8.4 基于Simulink分析非线性控制系统 347

8.4.1 基于Simulink的非线性开环系统仿真分析 347

8.4.2 基于Simulink的非线性控制系统闭环响应仿真分析 348

8.5 基于Simulink的非线性控制系统数学仿真实验 349

习题8 350

附录 拉氏变换与拉氏反变换 353

参考文献 361

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