第1章自动控制系统的基本概念

1、第1章自动控制系统的基本概念1 1.1开环控制系统与闭环控制系统1 1.2闭环控制系统的组成和基本环节4 1.3自动控制系统的类型6 1.3.1线性系统和非线性系统6 1.3.2连续系统和离散系统8 1.3.3恒值系统、随动系统和程序控制系统9 1.4自动控制系统的性能指标9 1.4.1稳定性9 1.4.2稳态性能指标10 1.4.3暂态性能指标10 小结13 思考题与习题14 第2章自动控制系统的数学模型17 2.1微分方程式的编写17 2.1.1机械系统18 2.1.2电气系统21 2.1.3液压系统24 2.1.4热工系统29 2.2非线性数学模型的线性化31 2.3传递函数35 2.3

2、.1传递函数的定义35 2.3.2典型环节的传递函数及暂态特性41 2.4系统动态结构图49 2.5系统传递函数和结构图的等效变换52 2.5.1典型连接的等效传递函数53 2.5.2相加点及分支点的变位运算55 2.5.3系统开环传递函数57 2.5.4系统闭环传递函数60 2.5.5系统对给定作用和扰动作用的传递函数61 2.6信号流图62 2.6.1信号流图中的术语63 2.6.2信号流图的绘制64 2.6.3信号流图的基本简化法则65 2.6.4梅逊增益公式66 2.7用MATLAB求解线性微分方程和化简系统方框图71 2.7.1MATLAB中数学模型的表示71 2.7.2用MATLA

3、B求解线性微分方程73 2.7.3MATLAB在系统方框图化简中的应用76 小结78 思考题与习题79 第3章自动控制系统的时域分析85 3.1自动控制系统的时域指标86 3.1.1对控制性能的要求86 3.1.2自动控制系统的典型输入信号87 3.2一阶系统的阶跃响应89 3.2.1一阶系统的数学模型89 3.2.2一阶系统的单位阶跃响应89 3.3二阶系统的阶跃响应91 3.3.1典型二阶系统的动态特性93 3.3.2二阶系统动态特性指标97 3.3.3二阶系统特征参数与动态性能指标之间的关系100 3.3.4二阶工程最佳参数101 3.3.5零、极点对二阶系统动态性能的影响103 3.4

4、高阶系统的动态响应107 3.5自动控制系统的代数稳定判据109 3.5.1线性系统稳定性的概念和稳定的充分必要条件109 3.5.2劳斯判据110 3.5.3赫尔维茨判据113 3.5.4谢绪恺判据114 3.5.5参数对稳定性的影响115 3.5.6相对稳定性和稳定裕度117 3.6稳态误差118 3.6.1扰动稳态误差118 3.6.2给定稳态误差和误差系数120 3.6.3减小稳态误差的方法126 3.7用MATLAB进行系统时域分析129 3.7.1典型输入信号的MATLAB实现130 3.7.2系统的稳定性分析134 3.7.3MATLAB在求解系统给定稳态误差中的应用136 小结

5、138 思考题与习题138 第4章根轨迹法143 4.1根轨迹法的基本概念144 4.2根轨迹的绘制法则146 4.2.1绘制根轨迹的一般法则146 4.2.2自动控制系统的根轨迹155 4.2.3零度根轨迹166 4.2.4参数根轨迹168 4.3用根轨迹法分析系统的动态特性172 4.3.1在根轨迹上确定特征根172 4.3.2用根轨迹法分析系统的动态特性173 4.3.3开环零点对系统根轨迹的影响176 4.3.4开环极点对系统根轨迹的影响178 4.3.5偶极子对系统性能的影响178 4.4用MATLAB绘制根轨迹181 4.4.1根轨迹分析的MATLAB实现的函数指令格式181 4.

6、4.2零度根轨迹的MATLAB绘制187 4.4.3参数根轨迹的MATLAB绘制188 小结191 思考题与习题191 第5章频率法195 5.1频率特性的基本概念195 5.2非周期函数的频谱分析198 5.2.1周期函数的傅氏级数分解198 5.2.2非周期函数的频谱201 5.3频率特性的表示方法204 5.3.1幅相频率特性204 5.3.2对数频率特性205 5.3.3对数幅相频率特性206 5.4典型环节的频率特性206 5.4.1比例环节206 5.4.2惯性环节207 5.4.3积分环节211 5.4.4微分环节212 5.4.5振荡环节214 5.4.6时滞环节217 5.4

7、.7最小相位环节218 5.5系统开环频率特性的绘制219 5.5.1系统的开环幅相频率特性219 5.5.2系统的开环对数频率特性224 5.6奈奎斯特稳定判据及其应用227 5.6.1奈氏稳定判据的基本原理228 5.6.2映射定理228 5.6.3奈氏路径及其映射229 5.6.4奈氏稳定判据230 5.6.5开环有串联积分环节的系统231 5.6.6用系统开环对数频率特性判断闭环系统稳定性232 5.6.7应用奈氏稳定判据判断闭环系统稳定性举例234 5.6.8系统的稳定裕度236 5.7系统动态特性和开环频率特性的关系238 5.7.1开环对数频率特性的基本性质238 5.7.2系统

8、动态特性和开环频率特性的关系244 5.8闭环系统频率特性246 5.8.1闭环系统频率特性与开环系统频率特性的关系247 5.8.2闭环系统等M圆、等圆及尼氏图248 5.8.3非单位反馈系统的闭环频率特性254 5.9系统动态特性和闭环频率特性的关系254 5.9.1谐振峰值Mp和超调量%之间的关系254 5.9.2谐振峰值Mp和调节时间ts的关系255 5.9.3频带宽BW和之间的关系255 5.10用MATLAB绘制系统开环频率特性256 5.10.1用MATLAB绘制系统开环对数频率特性（伯德图）256 5.10.2用MATLAB绘制系统开环幅相频率特性（奈氏曲线）261 5.10.

9、3稳定裕度求解263 小结265 思考题与习题266 第6章控制系统的校正及综合269 6.1控制系统校正的一般概念269 6.1.1基本校正方法269 6.1.2用频率法校正的特点271 6.2串联校正272 6.2.1串联超前（微分）校正273 6.2.2串联滞后（积分）校正278 6.2.3串联滞后超前（积分微分）校正285 6.3反馈校正295 6.3.1反馈校正的功能295 6.3.2反馈校正装置的设计298 6.4复合校正305 6.4.1按扰动补偿的复合控制305 6.4.2按输入补偿的复合控制306 6.5应用MATLAB进行系统校正309 6.5.1串联超前校正设计309 6

10、.5.2串联滞后校正设计312 6.5.3串联滞后超前校正设计314 小结317 思考题与习题318 第7章非线性系统分析323 7.1非线性系统动态过程的特点323 7.2非线性特性及其对系统性能的影响326 7.2.1不灵敏区（死区）326 7.2.2饱和328 7.2.3间隙329 7.2.4摩擦330 7.2.5继电器特性332 7.3非线性特性的描述函数333 7.3.1谐波线性化333 7.3.2非线性特性的描述函数335 7.3.3典型非线性特性的描述函数336 7.4非线性系统的描述函数法345 7.4.1非线性系统的典型结构及基本条件345 7.4.2非线性系统的稳定性分析3

11、46 7.4.3自振分析348 7.4.4应用描述函数法分析非线性系统349 7.4.5非线性系统结构图的简化355 7.5改善非线性系统性能的措施及非线性特性的利用357 7.5.1改变线性部分的参数或对线性部分进行校正357 7.5.2改变非线性特性358 7.5.3非线性特性的应用360 7.5.4用振荡线性化改善系统性能363 7.6相平面法364 7.6.1相轨迹的特征364 7.6.2相轨迹的绘制方法370 7.6.3用相平面法分析非线性系统371 小结375 思考题与习题375 第8章线性离散系统的理论基础380 8.1线性离散系统的基本概念380 8.2离散时间函数的数学表达式

12、及采样定理381 8.2.1离散时间函数的数学表达式382 8.2.2采样函数f*(t)的频谱分析382 8.2.3采样定理384 8.2.4信号的复现384 8.3z变换386 8.3.1z变换的定义386 8.3.2z变换的方法387 8.3.3z变换的性质389 8.3.4z反变换392 8.4线性常系数差分方程393 8.4.1差分方程的定义394 8.4.2差分方程的解法395 8.5脉冲传递函数396 8.5.1脉冲传递函数的定义396 8.5.2脉冲传递函数的推导396 8.5.3开环系统脉冲传递函数398 8.5.4闭环系统脉冲传递函数399 8.6采样控制系统的时域分析402 8.6.1z变换法求系统的单位阶跃响应402 8.6.2采样系统的稳定性分析403 8.6.3采样控制系统的稳态误差407 8.7采样控制系统的频域分析408 8.7.1双线性变换409 8.7.2伯德图410 8.8线性离散系统的数字校正412 8.8.1用根轨迹法综合数字校正装置412 8.8.2数字校正装置的实现413 8.9最少拍离散控制系统的分析与设计