自动控制原理（第2版）

第1章自动控制系统概述1
1.1自动控制系统的定义和表示方法1
1.1.1人工控制和自动控制2
1.1.2自动控制系统的表示方法3
1.2开环控制和闭环控制4
1.2.1开环控制4
1.2.2闭环控制5
1.2.3开环控制和闭环控制的比较6
1.2.4复合控制6
1.3控制系统的组成7
1.4对自动控制系统的基本要求8
1.5自动控制系统的分类10
1.5.1线性系统和非线性系统10
1.5.2定常系统和时变系统11
1.5.3连续系统和离散系统12
1.5.4恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统12
1.5.5单变量系统和多变量系统13
1.6自动控制理论发展简史13
1.7自动控制系统实例16
1.8本课程的特点与学习方法18
小结19
控制与电气学科世界著名学者——瓦特19
思维导图20
思考题20
习题21
第2章控制系统的数学模型24
2.1控制系统数学模型概述24
2.1.1数学模型的定义24
2.1.2数学模型的简化性与分析准确性25
2.1.3数学模型的分类25
2.1.4控制系统的建模方法26
2.2控制系统的时域数学模型26
2.2.1控制系统微分方程的建立26
2.2.2非线性微分方程的线性化30
2.3数学基础——拉普拉斯变换33
2.3.1拉普拉斯变换的定义33
2.3.2典型函数的拉氏变换33
2.3.3拉氏变换的基本性质37
2.3.4拉氏反变换38
2.3.5应用拉氏变换解线性微分方程40
2.4控制系统的复域数学模型41
2.4.1传递函数41
2.4.2典型环节的传递函数43
2.4.3传递函数的标准形式47
2.4.4电气网络的运算阻抗与传递函数48
2.5控制系统的结构图及其等效变换50
2.5.1系统结构图的组成50
2.5.2系统结构图的绘制50
2.5.3结构图的基本变换53
2.5.4结构图的化简及其传递函数55
2.6信号流图与梅森增益公式60
2.6.1信号流图60
2.6.2梅森增益公式62
2.7控制系统的传递函数65
2.8相似原理68
小结70
控制与电气学科世界著名学者——维纳70
思维导图71
思考题71
习题72
第3章线性控制系统的时域分析法77
3.1典型输入信号及系统性能指标77
3.1.1典型输入信号78
3.1.2系统时域性能指标78
3.2一阶系统的时域分析80
3.2.1一阶系统的数学模型80
3.2.2一阶系统的单位阶跃响应80
3.2.3一阶系统的单位脉冲响应82
3.2.4一阶系统的单位斜坡响应82
3.2.5三种响应之间的关系83
3.3二阶系统的时域分析83
3.3.1二阶系统的数学模型84
3.3.2二阶系统的单位阶跃响应86
3.3.3欠阻尼二阶系统的动态性能指标89
3.3.4二阶系统的单位脉冲响应97
3.3.5二阶系统的单位斜坡响应98
3.3.6非零初始条件下的二阶系统响应100
3.4改善二阶系统动态性能的措施101
3.4.1测速反馈控制101
3.4.2比例-微分控制104
3.5高阶系统的时域分析107
3.5.1高阶系统的单位阶跃响应108
3.5.2闭环主导极点109
3.6线性控制系统的稳定性分析109
3.6.1稳定的概念110
3.6.2线性系统稳定的充要条件110
3.6.3劳斯稳定判据111
3.6.4赫尔维茨稳定判据115
3.7线性控制系统的稳态性能分析117
3.7.1控制系统误差与稳态误差117
3.7.2终值定理法求稳态误差118
3.7.3控制系统型别120
3.7.4静态误差系数法求稳态误差120
3.7.5扰动信号作用下的稳态误差124
3.7.6动态误差系数法求动态误差125
3.8减小或消除稳态误差的方法126
3.8.1增大开环放大倍数126
3.8.2增加串联积分环节127
3.8.3复合控制127
3.9基于Matlab的控制系统时域分析128
小结131
控制与电气学科世界著名学者——麦克斯韦131
思维导图132
思考题132
习题133
第4章线性系统的根轨迹法136
4.1控制系统的根轨迹136
4.1.1闭环零、极点与开环零、极点之间的关系138
4.1.2根轨迹方程139
4.2绘制180°根轨迹的基本规则140
4.3广义根轨迹151
4.3.1参数根轨迹151
4.3.20°根轨迹152
4.4闭环零、极点分布对系统性能的影响155
4.4.1系统闭环零、极点分布与阶跃响应的数学关系式155
4.4.2闭环极点分布与系统动态性能关系156
4.4.3利用主导极点估算系统的性能指标158
4.5添加开环零、极点对根轨迹的影响160
4.5.1添加开环零点对根轨迹的影响160
4.5.2添加开环极点对根轨迹的影响161
4.5.3添加开环偶极子对根轨迹的影响163
4.6基于Matlab的控制系统根轨迹分析164
小结166
控制与电气学科世界著名学者——伊文思166
思维导图167
思考题168
习题168
第5章线性系统的频域分析法170
5.1频率特性的基本概念和表示方法170
5.1.1频率特性的基本概念170
5.1.2频率特性图形表示方法174
5.2对数频率特性图（伯德图）174
5.2.1对数频率特性图174
5.2.2典型环节对数频率特性图175
5.2.3开环对数频率特性图绘制181
5.3小相位系统与非小相位系统183
5.4由对数幅频特性曲线确定开环传递函数184
5.5幅相频率特性图（奈奎斯特曲线）185
5.5.1典型环节的幅相图185
5.5.2开环系统幅相图的绘制188
5.6奈奎斯特稳定判据191
5.6.1奈奎斯特稳定判据的数学基础192
5.6.2典型的奈奎斯特稳定判据196
5.6.3基于对数频率特性的奈奎斯特稳定判据201
5.7控制系统的相对稳定性202
5.7.1稳定裕度202
5.7.2稳定裕度计算204
5.8利用开环对数幅频特性分析系统性能205
5.8.1开环幅频特性“三频段”与系统性能的关系206
5.8.2二阶系统开环频域指标与时域指标的关系209
5.9利用闭环频率特性分析系统性能211
5.9.1闭环频率特性的频域指标211
5.9.2二阶系统闭环频域指标与时域指标的关系212
5.9.3高阶系统频域指标和时域指标的关系213
5.10基于Matlab的控制系统频域分析214
小结216
电子信息与电气学科世界著名学者——奈奎斯特216
思维导图217
思考题218
习题218
第6章线性系统的综合与校正222
6.1概述222
6.1.1系统校正的一般概念222
6.1.2校正方式223
6.1.3校正方法224
6.2基本控制规律226
6.2.1比例（P）控制规律226
6.2.2比例-微分（PD）控制规律226
6.2.3积分（I）控制规律228
6.2.4比例-积分（PI）控制规律228
6.2.5比例-积分-微分（PID）控制规律229
6.3串联校正230
6.3.1串联超前校正（PD）230
6.3.2串联滞后校正(PI)235
6.3.3串联滞后-超前校正(PID)239
6.4期望频率特性法245
6.5反馈校正247
6.5.1反馈校正功能247
6.5.2用频率法分析反馈校正系统250
6.6基于Matlab的控制系统校正255
小结260
电子信息与电气学科世界著名学者——伯德260
思维导图261
思考题262
习题262
第7章非线性系统的分析264
7.1非线性系统概述264
7.1.1非线性现象的普遍性264
7.1.2典型的非线性特性265
7.1.3非线性系统的特点267
7.1.4非线性系统的分析方法268
7.2描述函数法268
7.2.1描述函数法的基本概念268
7.2.2典型非线性特性的描述函数270
7.2.3非线性系统的等效274
7.2.4非线性系统的描述函数分析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相轨迹的绘制方法286
7.3.3由相轨迹求时间解288
7.3.4线性系统相轨迹289
7.3.5极限环292
7.3.6非线性系统相轨迹293
7.4改善非线性系统性能的措施299
7.4.1调整线性部分的结构参数299
7.4.2改变非线性特性299
7.4.3非线性特性的利用300
7.5基于Simulink求解非线性系统的时域响应301
小结304
控制与电气学科世界著名学者——钱学森304
思维导图305
思考题305
习题306
第8章线性离散系统的分析310
8.1概述310
8.2信号的采样与复现312
8.2.1信号采样过程312
8.2.2采样定理313
8.2.3信号复现316
8.3Z变换318
8.3.1Z变换的定义318
8.3.2Z变换的方法319
8.3.3Z变换的性质321
8.3.4Z反变换322
8.4离散系统的数学模型324
8.4.1差分方程及其解法324
8.4.2脉冲传递函数325
8.4.3开环系统脉冲传递函数327
8.4.4闭环系统脉冲传递函数328
8.5稳定性分析331
8.5.1s平面到z平面的映射332
8.5.2线性离散系统稳定的充要条件333
8.5.3稳定性判据334
8.6动态性能分析338
8.6.1离散系统闭环极点分布与动态响应的关系338
8.6.2动态性能分析340
8.7稳态误差计算341
8.7.1终值定理法341
8.7.2静态误差系数法343
8.8离散系统的数字校正344
8.8.1数字控制器的脉冲传递函数344
8.8.2少拍系统设计345
8.9基于Matlab的线性离散控制系统分析350
小结355
电子信息与电气学科世界著名学者——香农355
思维导图356
思考题357
习题357
参考文献360