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第1章 绪论1

1.1开环控制和闭环控制2

1.1.1开环控制2

1.1.2闭环控制（反馈控制）2

1.2自动控制系统的组成及术语3

1.3自动控制系统的类型4

1.3.1按信号流向划分4

1.3.2按系统输入信号划分4

1.3.3线性系统和非线性系统5

1.3.4定常系统和时变系统5

1.3.5连续系统和离散系统5

1.3.6单输入单输出系统与多输入多输出系统5

1.4自动控制系统性能的基本要求6

1.5自动控制课程的主要任务6

1.5.1阶跃函数7

1.5.2斜坡函数（等速度函数）7

1.5.3抛物线函数（等加速度函数）7

1.5.4脉冲函数7

1.5.5正弦函数8

1.6自动控制系统实例8

1.6.1造纸机分部传动控制系统8

1.6.2谷物湿度控制系统9

1.6.3烘烤炉温度控制系统9

本章小结9

本章典型题、考研题详解及习题10

第2章 线性系统的数学模型13

2.1线性系统的微分方程13

2.2微分方程的线性化17

2.3传递函数19

2.3.1传递函数的概念19

2.3.2传递函数的特点20

2.3.3典型环节的传递函数21

2.4方框图25

2.4.1方框图25

2.4.2系统方框图的构成26

2.4.3环节间的连接28

2.4.4方框图的变换和简化30

2.5信号流图32

2.5.1信号流图的定义33

2.5.2系统的信号流图33

2.5.3信号流图的定义和术语34

2.5.4信号流图的性质34

2.5.5信号流图的简化34

2.5.6信号流图的增益公式35

2.6 MATLAB中数学模型的表示38

2.6.1传递函数38

2.6.2传递函数的特征根及零、极点图39

2.6.3控制系统的方框图模型41

2.6.4控制系统的零、极点模型42

2.6.5状态空间表达式42

本章小结43

本章典型题、考研题详解及习题44

第3章 控制系统的时域分析53

3.1线性定常系统的时域响应53

3.2控制系统时域响应的性能指标54

3.2.1稳态性能指标54

3.2.2动态性能指标54

3.3线性定常系统的稳定性55

3.3.1稳定性的概念55

3.3.2线性定常系统稳定的充分必要条件55

3.3.3劳斯判据（Routh判据）57

3.3.4赫尔维茨判据（Hurwitz判据）60

3.3.5系统参数对稳定性的影响61

3.3.6相对稳定性和稳定裕量62

3.4系统的稳态误差63

3.4.1误差及稳态误差的定义63

3.4.2稳态误差分析64

3.4.3稳态误差的计算65

3.4.4应用静态误差系数计算给定信号作用下的稳态误差66

3.4.5扰动信号作用下的稳态误差与系统结构的关系69

3.4.6改善系统稳态精度的途径69

3.4.7系统的动态误差系数70

3.5一阶系统的时域响应71

3.5.1数学模型71

3.5.2单位阶跃响应71

3.5.3性能指标72

3.5.4一阶系统的单位脉冲响应72

3.6二阶系统的时域响应72

3.6.1二阶系统的数学模型72

3.6.2二阶系统的单位阶跃响应73

3.6.3二阶系统的单位脉冲响应77

3.7高阶系统的瞬态响应79

3.7.1高阶系统的瞬态响应79

3.7.2高阶系统的降阶80

3.7.3零、极点对阶跃响应的影响81

3.8用MATLAB和Simulink进行瞬态响应分析83

3.8.1单位脉冲响应83

3.8.2单位阶跃响应83

3.8.3斜坡响应84

3.8.4任意函数作用下系统的响应85

3.8.5由系统传递函数求系统的响应86

3.8.6系统阶跃响应的性能指标87

3.8.7 Simulink建模与仿真88

本章小结92

本章典型题、考研题详解及习题92

第4章 根轨迹法102

4.1根轨迹的基本概念102

4.1.1根轨迹102

4.1.2根轨迹的基本条件103

4.2绘制根轨迹的基本规则104

4.3根轨迹绘制举例111

4.4广义根轨迹113

4.4.1参数根轨迹113

4.4.2多参数根轨迹簇114

4.4.3正反馈系统的根轨迹（零度根轨迹）115

4.5根轨迹分析系统的性能117

4.5.1根轨迹确定系统的闭环极点117

4.5.2根轨迹分析系统的动态特性118

4.5.3开环零点对根轨迹的影响119

4.5.4开环极点对根轨迹的影响120

4.6 MATLAB绘制系统的根轨迹121

本章小结125

本章典型题、考研题详解及习题126

第5章 控制系统的频域分析134

5.1频率特性134

5.1.1频率特性概述134

5.1.2频率特性的求取136

5.1.3频域性能指标137

5.2典型环节的频率特性137

5.2.1概述137

5.2.2典型环节的频率特性139

5.3系统的开环频率特性146

5.3.1系统的开环对数频率特性146

5.3.2系统开环极坐标图（奈氏图）149

5.3.3最小相位和非最小相位系统151

5.4奈奎斯特稳定判据153

5.4.1映射定理154

5.4.2 Nyquist轨迹及其映射155

5.4.3 Nyquist稳定判据一157

5.4.4 Nyquist稳定判据二158

5.4.5 Nyquist对数稳定判据159

5.5控制系统的相对稳定性160

5.5.1增益裕量161

5.5.2相角裕量162

5.5.3用幅相频率特性曲线分析系统稳定性164

5.6闭环系统的频率特性164

5.6.1等M圆（等幅值轨迹）165

5.6.2等N圆（等相角轨迹）165

5.6.3利用等M圆和等N圆求单位反馈系统的闭环频率特性166

5.6.4非单位反馈系统的闭环频率特性167

5.7用频率特性分析系统品质167

5.7.1闭环频域性能指标与时域性能指标的关系167

5.7.2开环频率特性与时域响应的关系169

5.8 MATLAB频域特性分析171

5.8.1 Bode图172

5.8.2 Nyquist图172

5.8.3 Nichols图175

本章小结175

本章典型题、考研题详解及习题176

第6章 控制系统的设计与校正184

6.1概述184

6.1.1系统的性能指标184

6.1.2系统的校正186

6.2线性系统的基本控制规律187

6.2.1比例（P）控制作用188

6.2.2比例-微分（PD）控制作用188

6.2.3积分（Ⅰ）控制作用190

6.2.4比例-积分-微分（PID）控制作用191

6.3校正装置及其特性193

6.3.1无源超前校正装置193

6.3.2无源滞后校正装置194

6.3.3无源滞后-超前校正装置195

6.4采用根轨迹法进行串联校正197

6.4.1串联超前校正197

6.4.2串联滞后校正199

6.4.3滞后-超前校正201

6.5频率法进行串联校正202

6.5.1频率法的串联超前校正202

6.5.2频率法的串联滞后校正204

6.5.3频率法的串联滞后-超前校正206

6.5.4按期望特性对系统进行串联校正209

6.6反馈校正211

6.6.1比例负反馈校正211

6.6.2微分负反馈校正211

6.6.3反馈校正的设计212

6.7复合校正214

6.7.1反馈控制与前馈校正的复合控制214

6.7.2反馈控制与扰动补偿校正的复合控制215

6.8基于MATLAB和Simulink的线性控制系统设计216

6.8.1相位超前校正216

6.8.2相位滞后校正217

6.8.3 Simulink下的系统设计和校正218

本章小结221

本章典型题、考研题详解及习题221

第7章 非线性系统分析230

7.1非线性系统概述230

7.1.1非线性系统的特点230

7.1.2非线性系统的分析和设计方法232

7.2典型非线性特性232

7.3相平面分析法234

7.3.1相平面的基本概念234

7.3.2线性系统的相轨迹236

7.3.3二阶非线性系统的线性化237

7.3.4相轨迹图的绘制239

7.3.5由相轨迹图求时间241

7.3.6非线性系统的相平面分析242

7.4描述函数法246

7.4.1描述函数的定义246

7.4.2典型非线性环节的描述函数247

7.4.3非线性系统的简化251

7.4.4描述函数分析法252

7.5基于Simulink的非线性系统分析255

7.5.1非线性系统的特点256

7.5.2非线性系统的响应256

7.5.3非线性系统的相轨迹257

本章小结258

本章典型题、考研题详解及习题258

第8章 采样控制系统268

8.1概述268

8.2采样过程与采样定理270

8.3采样信号保持器272

8.3.1零阶保持器272

8.3.2一阶保持器273

8.4 Z变换274

8.4.1 Z变换定义274

8.4.2 Z变换方法275

8.4.3 Z变换性质277

8.4.4 Z反变换279

8.5采样系统的数学模型281

8.5.1线性定常差分方程281

8.5.2差分方程求解282

8.5.3脉冲传递函数（Z传递函数）283

8.6采样系统的稳定性分析288

8.6.1采样系统的稳定条件288

8.6.2劳斯稳定判据289

8.6.3朱利稳定判据291

8.6.4采样周期与开环增益对稳定性的影响292

8.7采样系统的稳态误差293

8.7.1单位阶跃输入时的稳态误差294

8.7.2单位斜坡输入时的稳态误差294

8.7.3单位加速度输入时的稳态误差294

8.8采样系统的暂态响应与脉冲传递函数零、极点分布的关系295

8.9采样系统的校正298

8.9.1数字控制器的脉冲传递函数298

8.9.2最少拍系统的脉冲传递函数299

8.9.3求取数字控制器的脉冲传递函数301

8.9.4关于闭环脉冲传递函数Ф（z）或Фe（z）的讨论302

8.10 MATLAB在采样系统中的应用305

8.10.1连续系统的离散化305

8.10.2求采样系统的响应305

8.10.3采样系统的最少拍设计307

本章小结308

本章典型题、考研题详解及习题308

附录A常用函数的拉普拉斯变换表314

附录B常用函数的Z变换表316

附录C控制理论术语中英文对照317

参考文献330