自動控制原理（第2版）

第1章自動控制系統(tǒng)概述1
1.1自動控制系統(tǒng)的定義和表示方法1
1.1.1人工控制和自動控制2
1.1.2自動控制系統(tǒng)的表示方法3
1.2開環(huán)控制和閉環(huán)控制4
1.2.1開環(huán)控制4
1.2.2閉環(huán)控制5
1.2.3開環(huán)控制和閉環(huán)控制的比較6
1.2.4復(fù)合控制6
1.3控制系統(tǒng)的組成7
1.4對自動控制系統(tǒng)的基本要求8
1.5自動控制系統(tǒng)的分類10
1.5.1線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)10
1.5.2定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)11
1.5.3連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)12
1.5.4恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)12
1.5.5單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)13
1.6自動控制理論發(fā)展簡史13
1.7自動控制系統(tǒng)實例16
1.8本課程的特點與學(xué)習(xí)方法18
小結(jié)19
控制與電氣學(xué)科世界著名學(xué)者——瓦特19
思維導(dǎo)圖20
思考題20
習(xí)題21
第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型24
2.1控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型概述24
2.1.1數(shù)學(xué)模型的定義24
2.1.2數(shù)學(xué)模型的簡化性與分析準(zhǔn)確性25
2.1.3數(shù)學(xué)模型的分類25
2.1.4控制系統(tǒng)的建模方法26
2.2控制系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型26
2.2.1控制系統(tǒng)微分方程的建立26
2.2.2非線性微分方程的線性化30
2.3數(shù)學(xué)基礎(chǔ)——拉普拉斯變換33
2.3.1拉普拉斯變換的定義33
2.3.2典型函數(shù)的拉氏變換33
2.3.3拉氏變換的基本性質(zhì)37
2.3.4拉氏反變換38
2.3.5應(yīng)用拉氏變換解線性微分方程40
2.4控制系統(tǒng)的復(fù)域數(shù)學(xué)模型41
2.4.1傳遞函數(shù)41
2.4.2典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)43
2.4.3傳遞函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式47
2.4.4電氣網(wǎng)絡(luò)的運算阻抗與傳遞函數(shù)48
2.5控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖及其等效變換50
2.5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的組成50
2.5.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的繪制50
2.5.3結(jié)構(gòu)圖的基本變換53
2.5.4結(jié)構(gòu)圖的化簡及其傳遞函數(shù)55
2.6信號流圖與梅森增益公式60
2.6.1信號流圖60
2.6.2梅森增益公式62
2.7控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)65
2.8相似原理68
小結(jié)70
控制與電氣學(xué)科世界著名學(xué)者——維納70
思維導(dǎo)圖71
思考題71
習(xí)題72
第3章線性控制系統(tǒng)的時域分析法77
3.1典型輸入信號及系統(tǒng)性能指標(biāo)77
3.1.1典型輸入信號78
3.1.2系統(tǒng)時域性能指標(biāo)78
3.2一階系統(tǒng)的時域分析80
3.2.1一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型80
3.2.2一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)80
3.2.3一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)82
3.2.4一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)82
3.2.5三種響應(yīng)之間的關(guān)系83
3.3二階系統(tǒng)的時域分析83
3.3.1二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型84
3.3.2二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)86
3.3.3欠阻尼二階系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)89
3.3.4二階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)97
3.3.5二階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)98
3.3.6非零初始條件下的二階系統(tǒng)響應(yīng)100
3.4改善二階系統(tǒng)動態(tài)性能的措施101
3.4.1測速反饋控制101
3.4.2比例-微分控制104
3.5高階系統(tǒng)的時域分析107
3.5.1高階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)108
3.5.2閉環(huán)主導(dǎo)極點109
3.6線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析109
3.6.1穩(wěn)定的概念110
3.6.2線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件110
3.6.3勞斯穩(wěn)定判據(jù)111
3.6.4赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)115
3.7線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能分析117
3.7.1控制系統(tǒng)誤差與穩(wěn)態(tài)誤差117
3.7.2終值定理法求穩(wěn)態(tài)誤差118
3.7.3控制系統(tǒng)型別120
3.7.4靜態(tài)誤差系數(shù)法求穩(wěn)態(tài)誤差120
3.7.5擾動信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差124
3.7.6動態(tài)誤差系數(shù)法求動態(tài)誤差125
3.8減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的方法126
3.8.1增大開環(huán)放大倍數(shù)126
3.8.2增加串聯(lián)積分環(huán)節(jié)127
3.8.3復(fù)合控制127
3.9基于Matlab的控制系統(tǒng)時域分析128
小結(jié)131
控制與電氣學(xué)科世界著名學(xué)者——麥克斯韋131
思維導(dǎo)圖132
思考題132
習(xí)題133
第4章線性系統(tǒng)的根軌跡法136
4.1控制系統(tǒng)的根軌跡136
4.1.1閉環(huán)零、極點與開環(huán)零、極點之間的關(guān)系138
4.1.2根軌跡方程139
4.2繪制180°根軌跡的基本規(guī)則140
4.3廣義根軌跡151
4.3.1參數(shù)根軌跡151
4.3.20°根軌跡152
4.4閉環(huán)零、極點分布對系統(tǒng)性能的影響155
4.4.1系統(tǒng)閉環(huán)零、極點分布與階躍響應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系式155
4.4.2閉環(huán)極點分布與系統(tǒng)動態(tài)性能關(guān)系156
4.4.3利用主導(dǎo)極點估算系統(tǒng)的性能指標(biāo)158
4.5添加開環(huán)零、極點對根軌跡的影響160
4.5.1添加開環(huán)零點對根軌跡的影響160
4.5.2添加開環(huán)極點對根軌跡的影響161
4.5.3添加開環(huán)偶極子對根軌跡的影響163
4.6基于Matlab的控制系統(tǒng)根軌跡分析164
小結(jié)166
控制與電氣學(xué)科世界著名學(xué)者——伊文思166
思維導(dǎo)圖167
思考題168
習(xí)題168
第5章線性系統(tǒng)的頻域分析法170
5.1頻率特性的基本概念和表示方法170
5.1.1頻率特性的基本概念170
5.1.2頻率特性圖形表示方法174
5.2對數(shù)頻率特性圖（伯德圖）174
5.2.1對數(shù)頻率特性圖174
5.2.2典型環(huán)節(jié)對數(shù)頻率特性圖175
5.2.3開環(huán)對數(shù)頻率特性圖繪制181
5.3小相位系統(tǒng)與非小相位系統(tǒng)183
5.4由對數(shù)幅頻特性曲線確定開環(huán)傳遞函數(shù)184
5.5幅相頻率特性圖（奈奎斯特曲線）185
5.5.1典型環(huán)節(jié)的幅相圖185
5.5.2開環(huán)系統(tǒng)幅相圖的繪制188
5.6奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)191
5.6.1奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)192
5.6.2典型的奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)196
5.6.3基于對數(shù)頻率特性的奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)201
5.7控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性202
5.7.1穩(wěn)定裕度202
5.7.2穩(wěn)定裕度計算204
5.8利用開環(huán)對數(shù)幅頻特性分析系統(tǒng)性能205
5.8.1開環(huán)幅頻特性“三頻段”與系統(tǒng)性能的關(guān)系206
5.8.2二階系統(tǒng)開環(huán)頻域指標(biāo)與時域指標(biāo)的關(guān)系209
5.9利用閉環(huán)頻率特性分析系統(tǒng)性能211
5.9.1閉環(huán)頻率特性的頻域指標(biāo)211
5.9.2二階系統(tǒng)閉環(huán)頻域指標(biāo)與時域指標(biāo)的關(guān)系212
5.9.3高階系統(tǒng)頻域指標(biāo)和時域指標(biāo)的關(guān)系213
5.10基于Matlab的控制系統(tǒng)頻域分析214
小結(jié)216
電子信息與電氣學(xué)科世界著名學(xué)者——奈奎斯特216
思維導(dǎo)圖217
思考題218
習(xí)題218
第6章線性系統(tǒng)的綜合與校正222
6.1概述222
6.1.1系統(tǒng)校正的一般概念222
6.1.2校正方式223
6.1.3校正方法224
6.2基本控制規(guī)律226
6.2.1比例（P）控制規(guī)律226
6.2.2比例-微分（PD）控制規(guī)律226
6.2.3積分（I）控制規(guī)律228
6.2.4比例-積分（PI）控制規(guī)律228
6.2.5比例-積分-微分（PID）控制規(guī)律229
6.3串聯(lián)校正230
6.3.1串聯(lián)超前校正（PD）230
6.3.2串聯(lián)滯后校正(PI)235
6.3.3串聯(lián)滯后-超前校正(PID)239
6.4期望頻率特性法245
6.5反饋校正247
6.5.1反饋校正功能247
6.5.2用頻率法分析反饋校正系統(tǒng)250
6.6基于Matlab的控制系統(tǒng)校正255
小結(jié)260
電子信息與電氣學(xué)科世界著名學(xué)者——伯德260
思維導(dǎo)圖261
思考題262
習(xí)題262
第7章非線性系統(tǒng)的分析264
7.1非線性系統(tǒng)概述264
7.1.1非線性現(xiàn)象的普遍性264
7.1.2典型的非線性特性265
7.1.3非線性系統(tǒng)的特點267
7.1.4非線性系統(tǒng)的分析方法268
7.2描述函數(shù)法268
7.2.1描述函數(shù)法的基本概念268
7.2.2典型非線性特性的描述函數(shù)270
7.2.3非線性系統(tǒng)的等效274
7.2.4非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)分析278
7.3相平面分析法284
7.3.1相平面的基本概念284
7.3.2相軌跡的繪制方法286
7.3.3由相軌跡求時間解288
7.3.4線性系統(tǒng)相軌跡289
7.3.5極限環(huán)292
7.3.6非線性系統(tǒng)相軌跡293
7.4改善非線性系統(tǒng)性能的措施299
7.4.1調(diào)整線性部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)299
7.4.2改變非線性特性299
7.4.3非線性特性的利用300
7.5基于Simulink求解非線性系統(tǒng)的時域響應(yīng)301
小結(jié)304
控制與電氣學(xué)科世界著名學(xué)者——錢學(xué)森304
思維導(dǎo)圖305
思考題305
習(xí)題306
第8章線性離散系統(tǒng)的分析310
8.1概述310
8.2信號的采樣與復(fù)現(xiàn)312
8.2.1信號采樣過程312
8.2.2采樣定理313
8.2.3信號復(fù)現(xiàn)316
8.3Z變換318
8.3.1Z變換的定義318
8.3.2Z變換的方法319
8.3.3Z變換的性質(zhì)321
8.3.4Z反變換322
8.4離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型324
8.4.1差分方程及其解法324
8.4.2脈沖傳遞函數(shù)325
8.4.3開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)327
8.4.4閉環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)328
8.5穩(wěn)定性分析331
8.5.1s平面到z平面的映射332
8.5.2線性離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件333
8.5.3穩(wěn)定性判據(jù)334
8.6動態(tài)性能分析338
8.6.1離散系統(tǒng)閉環(huán)極點分布與動態(tài)響應(yīng)的關(guān)系338
8.6.2動態(tài)性能分析340
8.7穩(wěn)態(tài)誤差計算341
8.7.1終值定理法341
8.7.2靜態(tài)誤差系數(shù)法343
8.8離散系統(tǒng)的數(shù)字校正344
8.8.1數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)344
8.8.2少拍系統(tǒng)設(shè)計345
8.9基于Matlab的線性離散控制系統(tǒng)分析350
小結(jié)355
電子信息與電氣學(xué)科世界著名學(xué)者——香農(nóng)355
思維導(dǎo)圖356
思考題357
習(xí)題357
參考文獻(xiàn)360