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第一章 自动控制的一般概念1

1.1 自动控制的基本概念1

1.1.1 自动控制系统举例1

1.1.2 开环控制和闭环控制4

1.1.3 复合控制5

1.1.4 自动控制系统的组成和术语6

1.1.5 自动控制系统的分类8

1.2 对自动控制系统的基本要求9

1.2.1 稳定性9

1.2.2 快速性9

1.2.3 准确性10

1.3 自动控制系统常用的典型测试信号11

1.3.1 单位阶跃信号11

1.3.2 单位斜坡信号11

1.3.3 单位加速度信号12

1.3.4 单位冲激信号12

1.3.5 正弦信号13

1.4 学习和研究自动控制系统的方法13

1.4.1 自动控制理论和方法的主要内容13

1.4.2 经典控制理论和现代控制理论13

1.4.3 学习和研究自动控制系统的途径和方法14

小结14

习题一15

2.1 控制系统的微分方程描述17

第二章 控制系统的数学模型17

2.2 非线性运动方程式的线性化24

2.2.1 非线性运动方程式的线性化24

2.2.2 几点结论26

2.3 传递函数28

2.3.1 传递函数的概念及定义28

2.3.2 典型环节的传递函数29

2.3.3 传递函数的零点和极点36

2.3.4 关于传递函数的说明：作用和性质36

2.3.5 用复数阻抗法求电网络的传递函数39

2.4.1 动态结构图的组成40

2.4 系统的动态结构方框图40

2.4.2 动态结构图的绘制41

2.5 结构图的化简和系统传递函数的求取50

2.5.1 结构图等效变换的基本规则50

2.5.2 动态结构图化简举例54

2.6 自动控制系统的传递函数56

2.6.1 闭环系统的开环传递函数56

2.6.2 给定信号作用下的闭环传递函数56

2.6.3 干扰信号作用下的闭环传递函数57

2.6.4 给定信号作用下的闭环误差传递函数57

2.6.5 干扰信号作用下的闭环误差传递函数58

习题二59

小结59

第三章 控制系统的时域分析63

3.1 典型控制过程及性能指标63

3.1.1 典型初始状态63

3.1.2 典型输入信号63

3.1.3 系统的时域性能指标64

3.2 一阶系统的动态分析65

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67

3.2.4 系统对输入信号的导数(或积分)的响应68

3.2.3 一阶系统的单位脉冲响应68

3.3 二阶系统的动态分析70

3.3.1 二阶系统的数学模型及零极点分布70

3.3.2 典型二阶系统的单位阶跃响应72

3.3.3 二阶系统闭环极点分布与性能参数之间的关系79

3.3.4 二阶系统性能参数的选择80

3.4 高阶系统的阶跃响应82

3.4.1 高阶系统的单位阶跃响应82

3.4.2 零点分布对系统动态性能的影响84

3.4.3 极点分布对系统动态性能的影响84

3.5 控制系统的稳定性分析85

3.5.1 稳定性的概念85

3.5.3 代数稳定判据86

3.5.2 稳定性的充分必要条件86

3.6 控制系统的误差94

3.6.1 误差及稳态误差的定义95

3.6.2 两种误差定义间的关系95

3.6.3 r(t)和n(t)作用下的稳态误差ess96

小结101

习题三102

第四章 控制系统的根轨迹分析法108

4.1 根轨迹与根轨迹方程108

4.1.1 根轨迹的基本概念108

4.1.2 根轨迹与系统性能的关系109

4.1.3 根轨迹方程110

4.2 绘制根轨迹的基本法则112

4.2.1 根轨迹的分支数113

4.2.2 根轨迹的起始点和终止点113

4.2.3 根轨迹的对称性和连续性113

4.2.4 实轴上的根轨迹区段113

4.2.5 根轨迹的渐近线114

4.2.6 根轨迹的分离点和分离角115

4.2.7 根轨迹的起始角和终止角116

4.2.8 根轨迹与虚轴的交点118

4.2.9 根之和119

4.3 广义根轨迹和零度根轨迹122

4.3.1 广义根轨迹123

4.3.2 零度根轨迹124

4.4.1 确定系统闭环零极点的位置126

4.4 用根轨迹分析控制系统126

4.4.2 闭环零极点分布与系统瞬态响应的关系127

4.4.3 系统阶跃响应的根轨迹分析131

小结133

习题四133

第五章 控制系统的频域分析法136

5.1 频率特性的一般概念136

5.2 频率特性的图示法--奈魁斯特图和伯德图139

5.2.1 奈魁斯特图139

5.2.2 伯德图141

5.3.1 比例环节的频率特性144

5.3 典型环节的频率特性144

5.3.2 积分环节的频率特性145

5.3.3 惯性环节的频率特性146

5.3.4 振荡环节的频率特性147

5.3.5 微分环节的频率特性150

5.3.6 延迟环节的频率特性151

5.4 系统开环频率特性153

5.4.1 控制系统的开环极坐标图153

5.4.2 控制系统的开环对数坐标图156

5.5 频域稳定性判据与稳定性分析158

5.5.1 预备知识159

5.5.2 奈魁斯特稳定判据162

5.5.3 对数频率特性稳定判据169

5.5.4 稳定裕量171

5.6 闭环频率特性的绘制173

5.6.1 由开环频率特性求闭环频率特性的方法之一--解析法174

5.6.2 由开环频率特性求闭环频率特性的方法之二--等M圆法、等N圆法175

5.7 闭环频域指标与时域指标的关系178

5.7.1 闭环频域性能指标178

5.7.2 闭环频域指标与时域指标的关系179

5.8 开环频域指标与时域指标的关系182

5.8.1 低频段183

5.8.2 中频段183

小结185

5.8.3 高频段185

习题五186

第六章 控制系统的校正189

6.1 控制系统的校正189

6.2 PID控制规律191

6.2.1 比例控制(P控制)192

6.2.2 比例加微分控制(PD控制)192

6.2.3 比例加积分控制(PI控制)194

6.2.4 比例加积分加微分控制(PID控制)196

6.3 PID控制规律的实现198

6.3.1 PD控制规律的实现198

6.3.2 PI控制规律的实现200

6.3.3 PID控制规律的实现202

6.4 频域法校正204

6.4.1 串联PD校正205

6.4.2 串联PI校正207

6.4.3 串联PID校正210

6.5 反馈校正与复合校正213

6.5.1 反馈校正213

6.5.2 串联校正与反馈校正比较215

6.5.3 复合校正217

小结218

习题六218

7.1 计算机控制系统概述220

7.1.1 计算机控制系统的组成及原理220

第七章 计算机控制系统的基本知识220

7.1.2 采样过程与采样周期221

7.1.3 离散系统的研究方法222

7.2 采样定理222

7.3 Z变换224

7.3.1 Z变换定义及其表达式224

7.3.2 求Z变换的方法225

7.3.3 Z反变换228

7.3.4 Z变换的主要性质229

7.4 离散系统的数学描述230

7.4.1 离散系统的开环脉冲传递函数231

7.4.2 离散系统的闭环脉冲传递函数234

7.5.1 根轨迹分析法237

7.5 线性离散系统的根轨迹分析法237

7.5.2 开环零点、极点的分布对根轨迹的影响242

7.5.3 Z平面上的等阻尼比线及其应用244

7.6 线性离散系统的频率特性分析法244

7.6.1 极坐标法245

7.6.2 对数频率特性法247

7.7 数字PID控制器设计249

7.7.1 用连续域-离散化设计法设计PID控制器249

7.7.2 位置式算法和增量式算法249

7.7.3 PID控制算法的改进251

7.7.4 PID控制器参数的整定253

7.8 直流电动机微机控制的系统设计254

习题七258

小结258

附录 积发变换260

(机电系统自动控制)实验指导292

一、概述292

二、实验设备292

三、对参加实验学生的要求295

实验一 典型环节的模拟295

实验二 二阶系统的瞬态响应297

实验三 典型环节和系统的频率特性299

实验四 数字PID控制300

实验五 采样实验303

参考文献306