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第1章 绪论1

1.1自动控制理论简介1

一、历史回顾1

二、控制系统的基本概念与举例2

三、控制系统的基本组成6

1.2闭环控制和开环控制7

一、反馈控制系统7

二、开环控制系统7

三、闭环控制系统8

四、开环与闭环控制系统的比较8

1.3自动控制系统的基本类型9

一、线性控制系统和非线性控制系统9

二、恒值控制系统和随动控制系统10

三、连续控制系统和离散控制系统10

1.4对控制系统性能的基本要求11

1.5本课程的性质和任务12

习题12

第2章 系统的数学模型14

2.1系统的微分方程14

一、概述14

二、建立系统微分方程的一般步骤15

三、非线性系统的线性化19

2.2系统的传递函数21

一、传递函数的概念21

二、传递函数的性质23

三、传递函数的求法24

四、传递函数的标准形式25

2.3典型环节的传递函数25

一、比例环节26

二、积分环节26

三、微分环节27

四、惯性环节28

五、振荡环节29

六、延时环节30

2.4系统传递函数方框图31

一、方框图的基本概念31

二、绘制方框图的步骤及方框图的特点32

三、方框图的简化34

四、梅逊公式43

五、扰动作用下的闭环系统44

2.5用MATLAB求串联、并联和反馈（闭环）传递函数45

一、线性系统的MATLAB表示45

二、用MATLAB求串联、并联和反馈（闭环）传递函数48

习题50

第3章 瞬态响应和稳态响应分析55

3.1时间响应的组成及典型输入信号55

一、时间响应的组成55

二、典型输入信号56

3.2一阶系统的时域分析58

一、一阶系统的数学模型58

二、一阶系统的单位脉冲响应59

三、一阶系统的单位阶跃响应59

四、一阶系统的单位斜坡响应61

五、线性定常系统的重要特性62

3.3二阶系统的时域分析63

一、二阶系统传递函数的标准形式63

二、二阶系统的单位阶跃响应64

三、二阶系统的瞬态响应性能指标67

3.4用MATLAB进行瞬态响应分析73

一、标准二阶系统单位阶跃响应的MATLAB求解73

二、用MATLAB作单位阶跃响应曲线的三维图74

三、用MATLAB求上升时间、峰值时间、 最大超调量和调整时间76

四、用MATLAB求单位脉冲响应、单位斜坡响应及任意输入信号的响应77

3.5稳态误差与偏差78

一、系统的误差与偏差79

二、系统的稳态误差与稳态偏差80

三、系统的类型81

四、静态偏差系数和稳态偏差的计算81

五、扰动作用下的稳态偏差84

习题87

第4章 频率特性分析与系统辨识92

4.1频率特性92

一、频率特性的概念92

二、频率特性与传递函数的关系94

三、频率特性的表示法95

4.2频率特性的极坐标图96

一、系统频率特性的极坐标图—— Nyquist图96

二、典型环节的Nyquist图96

三、绘制频率特性Nyquist图的一般步骤102

四、系统开环频率特性Nyquist图的一般形状105

4.3频率特性的对数坐标图110

一、频率特性的对数坐标图——Bode图110

二、典型环节的Bode图111

三、绘制Bode图的一般步骤118

4.4最小相位系统和非最小相位系统121

4.5频率特性的特征量122

4.6 MATLAB在频率分析中的应用126

一、用MATLAB作Nyquist图126

二、用MATLAB作Bode图128

4.7系统辨识130

一、系统辨识概念130

二、系统辨识举例131

习题134

第5章 系统稳定性139

5.1稳定性的基本概念139

一、稳定性的定义139

二、稳定性充要条件139

5.2劳斯稳定判据140

一、系统稳定的必要条件141

二、劳斯稳定判据141

三、劳斯稳定判据特殊情况处理144

5.3 Nyquist稳定判据146

一、辅助函数146

二、幅角原理147

三、Nyquist稳定判据148

四、开环具有积分环节时的Nyquist轨迹151

五、Nyquist稳定判据举例152

5.4对数稳定判据154

一、穿越154

二、Nyquist图和Bode图的对应关系155

三、Bode稳定判据156

四、Bode稳定判据举例156

5.5系统的相对稳定性157

一、相位裕度157

二、幅值裕度157

三、相对稳定性举例158

5.6利用MATLAB分析系统的稳定性159

习题161

第6章 控制系统设计的频率响应法164

6.1引言164

一、控制系统设计的频率响应法164

二、校正的概念165

三、超前、滞后和滞后-超前校正的基本特性165

6.2超前校正166

一、超前校正装置的特性166

二、串联超前校正168

三、超前校正的特点170

6.3滞后校正171

一、滞后校正装置的特性171

二、串联滞后校正173

三、滞后校正的特点175

6.4滞后-超前校正175

一、滞后-超前校正装置的特性175

二、串联滞后-超前校正176

三、超前、滞后和滞后-超前校正的比较178

6.5反馈校正179

习题180

第7章PID控制184

7.1 PID基本控制规律184

一、比例（P）控制规律184

二、积分（I）控制规律184

三、比例-微分（PD）控制规律185

四、比例-积分（PI）控制规律187

五、比例-积分-微分（PID）控制规律189

7.2 PID控制器的设计190

一、最优模型190

二、设计举例191

7.3 PID控制器的调整法则193

一、PID控制器的调整193

二、齐格勒—尼柯尔斯法则193

7.4 PID控制方案的修正197

一、PI-D控制198

二、I-PD控制198

习题199

第8章 控制系统的状态空间分析201

8.1状态空间法的基本概念201

一、状态与状态变量201

二、状态空间表达式202

三、系统的传递函数矩阵207

8.2由传递函数导出状态方程207

一、传递函数无零点208

二、传递函数有零点210

三、基于MATLAB的系统模型转换219

8.3线性定常系统状态方程的解220

一、齐次方程的解220

二、非齐次方程的解221

三、状态转移矩阵的性质222

四、eA1的计算方法223

8.4可控性和可观测性230

一、系统的可控性231

二、系统的可观测性233

习题235

附录 拉普拉斯变换239

A.1复变量和复变函数239

一、复数和复变函数239

二、欧拉定理240

三、复变函数240

A.2拉普拉斯变换240

一、拉普拉斯变换240

二、典型时间函数的拉普拉斯变换241

三、拉普拉斯变换定理243

A.3拉普拉斯反变换247

参考文献250