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第1章 自动控制的一般概念1

1.1自动控制的基本原理与方式1

1.1.1自动控制技术及其应用1

1.1.2自动控制理论1

1.1.3反馈控制原理3

1.1.4反馈控制系统的基本组成4

1.1.5自动控制系统基本控制方式5

1.2自动控制系统示例7

1.2.1函数记录仪7

1.2.2火炮方位角控制系统7

1.2.3导弹自动驾驶仪8

1.2.4电压调节系统9

1.3自动控制系统的分类9

1.4对自动控制系统的基本要求10

1.4.1基本要求的提法10

1.4.2典型外作用12

1.5本课程的研究内容13

1.6小结14

习题15

第2章 控制系统的数学模型17

2.1控制系统的时域数学模型17

2.1.1线性元件的微分方程17

2.1.2线性定常微分方程的求解20

2.1.3非线性微分方程的线性化21

2.1.4运动的模态22

2.2控制系统的复数域数学模型23

2.2.1传递函数的定义和性质23

2.2.2典型元部件的传递函数26

2.3控制系统的结构图与信号流图32

2.3.1控制系统结构图的组成和绘制32

2.3.2结构图的等效变换与简化34

2.3.3信号流图的组成及性质38

2.3.4信号流图的绘制39

2.3.5梅森增益公式40

2.3.6闭环系统的传递函数41

2.4数学模型的实验测定法42

2.4.1数学模型实验测定的主要方法43

2.4.2输入测试信号的选择43

2.4.3测定实验注意事项43

2.4.4实验结果的数据处理44

2.5小结45

习题45

第3章 线性系统的时域分析法49

3.1线性系统时间响应的性能指标49

3.1.1典型输入信号49

3.1.2动态过程与稳态过程50

3.1.3动态性能与稳态性能50

3.2一阶系统的时域分析51

3.2.1一阶系统的数学模型51

3.2.2典型输入下一阶系统的响应52

3.3二阶系统的时域分析54

3.3.1二阶系统的数学模型54

3.3.2二阶系统的单位阶跃响应55

3.3.3欠阻尼二阶系统的动态过程分析57

3.3.4过阻尼二阶系统的动态过程分析60

3.3.5二阶系统的单位斜坡响应61

3.3.6二阶系统性能的改善65

3.3.7非零初始条件下二阶系统的响应过程68

3.4高阶系统的时域分析69

3.4.1三阶系统的单位阶跃响应69

3.4.2高阶系统的阶跃响应71

3.4.3闭环主导极点71

3.4.4高阶系统的动态性能估算72

3.5线性系统的稳定性分析73

3.5.1稳定性的基本概念73

3.5.2线性系统稳定的充要条件73

3.5.3劳斯一赫尔维茨稳定判据74

3.5.4劳斯稳定判据的特殊情况76

3.5.5劳斯稳定判据的应用77

3.6线性系统的稳态误差计算78

3.6.1误差与稳态误差78

3.6.2系统类型79

3.6.3阶跃输入作用下的稳态误差与静态位置误差系数80

3.6.4斜坡输入作用下的稳态误差与静态速度误差系数80

3.6.5加速度输入作用下的稳态误差与静态加速度误差系数81

3.6.6动态误差系数法83

3.6.7扰动作用下的稳态误差85

3.6.8减小或消除稳态误差的措施88

3.7小结91

习题92

第4章 线性系统的根轨迹法96

4.1根轨迹法的基本概念96

4.1.1根轨迹概念96

4.1.2根轨迹与系统性能97

4.1.3闭环零、极点与开环零、极点之间的关系97

4.1.4根轨迹方程98

4.2根轨迹绘制的基本法则99

4.3广义根轨迹106

4.3.1参数根轨迹106

4.3.2零度根轨迹107

4.4系统性能的分析与估算108

4.5小结109

习题109

第5章 线性系统的频域分析法112

5.1引言112

5.2频率特性112

5.2.1频率特性的基本概念112

5.2.2频率特性的几何表示法114

5.3典型环节和开环系统频率特性116

5.3.1典型环节116

5.3.2典型环节的频率特性117

5.3.3开环幅相曲线绘制121

5.3.4开环对数频率特性曲线124

5.3.5传递函数的频域实验确定126

5.4频率域稳定判据127

5.4.1奈奎斯特判据基础128

5.4.2奈奎斯特稳定判据131

5.4.3对数频率稳定判据132

5.5稳定裕度133

5.6闭环系统的频域性能指标135

5.6.1控制系统的频带宽度135

5.6.2闭环系统频域指标和时域指标的转换136

5.7小结138

习题138

第6章 线性系统的校正方法142

6.1系统的设计与校正问题142

6.1.1性能指标142

6.1.2系统带宽的选择143

6.1.3校正方式144

6.1.4基本控制规律145

6.2常用校正装置及其特性148

6.2.1无源校正网络148

6.2.2有源校正装置151

6.3串联校正153

6.3.1频率响应法校正设计153

6.3.2串联超前校正154

6.3.3串联滞后校正157

6.3.4串联滞后一超前校正159

6.3.5串联综合法校正161

6.3.6串联工程设计方法165

6.4反馈校正167

6.4.1反馈校正的原理与特点167

6.4.2测速一相角超前网络反馈校正168

6.4.3综合法反馈校正168

6.5复合校正169

6.5.1复合校正的概念170

6.5.2按扰动补偿的复合校正170

6.5.3按输入补偿的复合校正171

6.6小结174

习题175

第7章 离散系统的分析178

7.1离散系统基本概念178

7.1.1采样控制系统178

7.1.2数字控制系统179

7.1.3数字控制系统与采样控制系统的关系180

7.1.4离散控制系统的特点180

7.1.5离散系统的研究方法181

7.2信号采样与保持181

7.2.1信号采样181

7.2.2零阶保持器183

7.3变换理论184

7.3.1z变换定义184

7.3.2 z变换方法184

7.3.3z变换的基本定理185

7.3.4 z反变换187

7.3.5 z变换法的局限性188

7.4.离散系统的数学模型189

7.4.1线性常系数差分方程及其解法189

7.4.2脉冲传递函数190

7.4.3开环系统脉冲传递函数191

7.4.4闭环系统脉冲传递函数193

7.5离散系统的稳定性与稳态误差194

7.5.1s域到z域的映射195

7.5.2线性定常离散系统稳定的充分必要条件196

7.5.3离散系统的稳定性判据197

7.5.4离散系统的稳态误差198

7.6离散系统的动态性能分析199

7.6.1离散系统的时间响应199

7.6.2闭环极点与动态响应的关系200

7.7离散系统的数字校正201

7.7.1数字控制器的脉冲传递函数201

7.7.2最少拍系统设计201

第8章 控制系统的状态空间分析与综合203

8.1控制系统的状态空间描述203

8.1.1基本概念203

8.1.2系统的传递函数矩阵206

8.1.3线性定常系统动态方程的建立206

8.2线性系统的运动分析213

8.2.1线性定常连续系统的自由运动213

8.2.2状态转移矩阵的性质216

8.2.3线性定常连续系统的受控运动216

8.2.4线性定常离散系统的运动分析217

8.3控制系统的李雅普诺夫稳定性分析218

8.3.1李雅普诺夫稳定性概念218

8.3.2李雅普诺夫稳定性间接判别法219

8.3.3李雅普诺夫稳定性直接判别法219

8.3.4线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析223

8.4线性系统的可控性和可观测性224

8.4.1基本概念224

8.4.2线性定常系统的可控性225

8.4.3线性定常系统的可观测性230

8.4.4可控性、可观测性与传递函数矩阵的关系232

8.4.5连续系统离散化后的可控性与可观测性233

8.5线性系统非奇异线性变换及系统的规范分解234

8.5.1线性系统的非奇异线性变换及其性质234

8.5.2几种常用的线性变换234

8.5.3对偶原理237

8.5.4线性系统的规范分解238

8.6线性定常控制系统的综合设计239

8.6.1状态反馈与极点配置240

8.6.2输出反馈与极点配置242

8.6.3状态重构与状态观测器设计242

8.6.4降维状态观测器的例子244

参考文献246