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第1章 绪论1

1.1概述1

1.2自动控制系统的结构原理及基本要求1

1.2.1自动控制系统的结构原理1

1.2.2控制系统的基本要求2

1.2.3离散控制系统的组成3

1.3控制系统的分类和特点4

1.3.1控制系统按照控制方式的分类4

1.3.2控制系统按照控制规律分类5

1.4控制系统的发展概况和展望6

习题7

第2章 连续控制系统的机理建模8

2.1概述8

2.1.1控制系统的数学模型8

2.1.2系统的建模8

2.1.3机理建模的模型形式9

2.2控制系统的微分方程描述10

2.2.1系统微分方程的建立步骤10

2.2.2建立系统微分方程举例10

2.3控制系统的框图和传递函数12

2.3.1基本概念13

2.3.2系统框图的建立15

2.3.3梅森公式18

2.3.4系统传递函数的获取21

2.3.5典型系统的框图及传递函数23

2.4控制系统的状态空间描述26

2.4.1基本概念26

2.4.2状态空间方程的建立26

2.4.3状态空间方程的一般形式29

2.5各种模型间的转换31

2.5.1状态空间方程的框图表示31

2.5.2状态空间方程和传递矩阵32

2.6非线性系统的偏微线性化33

2.6.1非线性因素和偏微线性化33

2.6.2非线性方程的线性化33

2.6.3例题35

2.7 MATLAB在建模中的应用35

习题38

第3章 控制系统的稳定性43

3.1稳定性的概念43

3.1.1研究系统稳定性的意义43

3.1.2稳定性的定义43

3.2系统稳定性的判定45

3.2.1闭环极点和稳定性的关系45

3.2.2劳斯判据46

3.2.3奈奎斯特判据50

3.2.4系统稳定性的改进59

3.3系统稳定性的MATLAB仿真61

习题64

第4章 连续控制系统的时域分析68

4.1典型输入信号及动态性能指标68

4.1.1典型输入信号68

4.1.2时域动态指标70

4.2一阶系统动态分析72

4.2.1一阶系统的数学模型72

4.2.2一阶系统的单位阶跃响应73

4.2.3一阶系统的单位脉冲响应74

4.2.4一阶系统的单位斜坡响应74

4.3二阶系统的动态分析75

4.3.1典型二阶系统的模型75

4.3.2典型二阶系统的单位阶跃响应76

4.3.3典型二阶系统的动态指标78

4.4高阶系统及二阶近似82

4.4.1高阶系统的单位阶跃响应82

4.4.2闭环主导极点83

4.4.3高阶系统的二阶近似84

4.5控制系统的稳态误差87

4.5.1误差的定义87

4.5.2误差传递函数88

4.5.3误差的计算89

4.6系统性能的MATLAB仿真93

习题95

第5章 频率特性法102

5.1频率特性与频率特性法102

5.1.1线性系统的频率响应102

5.1.2基本概念103

5.1.3频率特性法及其特点103

5.2基本环节的频率特性103

5.2.1比例环节104

5.2.2惯性环节104

5.2.3积分环节106

5.2.4二阶振荡环节106

5.2.5由对称性获得特性曲线的环节107

5.2.6时滞环节108

5.2.7系统开环传递函数伯德图的绘制108

5.3频率特性指标110

5.3.1开环频率特性指标110

5.3.2闭环频率特性指标111

5.3.3开环和闭环频率特性的关系111

5.3.4频域指标和时域指标的关系112

5.4开环频率特性的系统分析方法113

5.4.1低频段113

5.4.2高频段115

5.4.3中频段115

5.4.4系统性能分析118

5.5控制系统的频率法校正119

5.5.1基本概念119

5.5.2基本控制规律和校正装置122

5.5.3分析法的串联校正128

5.5.4期望特性法实现系统的串联校正132

5.5.5反馈校正133

5.6频率特性法的MATLAB仿真137

习题140

第6章 根轨迹法148

6.1基本概念148

6.2绘制根轨迹图的基本规则149

6.2.1规则一 根轨迹的分支149

6.2.2规则二 根轨迹的连续性和对称性149

6.2.3规则三 根轨迹的起点和终点149

6.2.4规则四 根轨迹的渐近线150

6.2.5规则五 实轴上的根轨迹151

6.2.6规则六 根轨迹与实轴的交点151

6.2.7规则七 根轨迹的出射角与入射角153

6.2.8规则八 根轨迹与虚轴的交点及临界值kc155

6.2.9规则九 根轨迹系数k的求取156

6.3绘制根轨迹图157

6.3.1绘制根轨迹图的步骤157

6.3.2例题157

6.4参数根轨迹161

6.5开环零极点对根轨迹的影响162

6.5.1开环零点对根轨迹的影响163

6.5.2开环极点对根轨迹的影响164

6.5.3附加开环零极点对系统稳态性能的影响165

6.6利用根轨迹法进行系统性能分析166

6.7利用根轨迹法校正168

6.7.1校正方法在根轨迹图中的体现168

6.7.2串联超前校正169

6.7.3串联滞后校正171

6.8根轨迹的MATLAB仿真173

习题176

第7章 连续域现代控制理论基础180

7.1线性定常系统状态方程的解180

7.1.1齐次状态方程的解180

7.1.2非齐次状态方程的解184

7.2控制系统的可控性和可观性187

7.2.1系统可控性187

7.2.2系统可观测性192

7.2.3对偶原理193

7.3线性定常系统的线性变换194

7.3.1线性变换194

7.3.2化系统﹛A，B｝为可控标准型195

7.3.3化系统﹛A，C｝为可观测标准型197

7.4控制系统的状态空间设计199

7.4.1线性定常系统常用反馈结构及其对系统特性的影响199

7.4.2状态反馈的极点配置设计法201

7.4.3状态观测器设计及分离特性205

7.5状态空间法的MATLAB仿真213

习题215

第8章 数据采集与数据保持221

8.1概述221

8.2信号采样问题222

8.2.1采样过程222

8.2.2理想采样信号的时域表示223

8.2.3理想采样信号的频域表达223

8.2.4采样定理225

8.3零阶保持器227

8.3.1零阶保持器的时域特性228

8.3.2零阶保持器的频域特性228

习题229

第9章 线性离散控制系统数学描述与分析230

9.1概述230

9.2脉冲传递函数230

9.2.1求脉冲传递函数230

9.2.2对开环和闭环系统求脉冲传递函数231

9.3离散状态空间描述240

9.4连续系统状态方程的离散化242

9.5线性定常离散系统的稳定性分析245

9.5.1 S平面与Z平面的关系245

9.5.2稳定性判别246

9.6离散控制系统的稳态误差分析248

9.7 MATLAB在模型转换、稳定性、稳态误差和规范型转换中的应用250

习题257

第10章 离散控制系统的经典法设计259

10.1概述259

10.2控制系统的离散化方法259

10.2.1六种离散化方法259

10.2.2六种离散化方法的特点265

10.3 PID控制器及其算式266

10.3.1 PID控制器266

10.3.2 PID控制器的各种算法268

10.4数字PID控制器的参数整定273

10.4.1扩充临界比例度法273

10.4.2扩充响应曲线法274

10.4.3归一参数整定法275

10.4.4优选法（0.618法）275

10.5用MATLAB进行连续模型的离散化等效和PID参数仿真研究275

习题281

第11章 数字控制器的直接设计283

11.1概述283

11.2 W’平面的频域法设计283

11.2.1两种平面的变换283

11.2.2 W’平面伯德图法设计284

11.3根轨迹设计288

11.3.1控制系统设计的根轨迹指标288

11.3.2根轨迹的绘制289

11.3.3离散控制系统的根轨迹法设计290

11.4 MATLAB在根轨迹中的应用293

习题295

第12章 状态空间分析和设计298

12.1离散系统的可控性和可观测性298

12.1.1可控性298

12.1.2可观测性299

12.2离散控制系统状态反馈的极点配置设计301

12.3观测器的设计303

12.3.1状态观测器的原理与结构303

12.3.2带有状态观测器的控制器的设计304

12.3.3分离特性305

12.3.4全阶观测器设计举例305

12.4 MATLAB在现代控制理论中的应用307

习题309

第13章 离散控制系统设计与实现312

13.1概述312

13.2离散控制系统设计的基本原则和主要步骤312

13.2.1控制系统设计的基本原则312

13.2.2控制系统设计的主要步骤314

13.3控制系统的设计及其实现过程315

13.4温度控制系统的设计举例320

习题326

附录 常用拉普拉斯变换和Z变换表328

参考文献330