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第1章 绪论1

1.1 机电控制系统的一般概念2

1.1.1 机电控制系统的描述2

1.1.2 机电控制和控制系统的概念3

1.1.3 一个机电控制系统实例——飞机襟翼操纵系统6

1.2 开环控制系统与闭环控制系统6

1.3 机电控制系统的分类8

1.3.1 线性控制系统和非线性控制系统8

1.3.2 恒值控制系统和随动系统8

1.3.3 连续控制系统和离散控制系统9

1.3.4 现代控制理论的几个基本概念10

1.4 机电控制系统的品质要求10

1.5 机电控制系统仿真基本概念11

1.6 机电控制系统的常用研究方法13

1.7 机电控制系统的数学模型及MATALB描述方法13

习题15

第2章 MATLAB基础知识17

2.1 引言17

2.1.1 MATLAB发展历程17

2.1.2 MATLAB系统构成17

2.1.3 MATLAB工具箱18

2.1.4 MATALAB/Simulink最新特点19

2.2 MATLAB桌面操作环境21

2.2.1 MATLAB启动和退出21

2.2.2 MATLAB主菜单及功能22

2.2.3 MATLAB命令窗口25

2.2.4 MATLAB工作空间26

2.2.5 MATLAB文件管理27

2.2.6 MATLAB帮助使用27

2.3 MATLAB数值计算28

2.3.1 MATLAB数值类型28

2.3.2 矩阵运算30

2.4 关系运算和逻辑运算35

2.5 符号运算36

2.5.1 符号运算基础36

2.5.2 常用符号运算37

2.5.3 控制系统中常用的符号运算38

2.6 MATLAB常用绘图命令40

2.7 MATLAB程序设计43

2.7.1 MATLAB程序类型43

2.7.2 MATLAB程序流程控制43

2.7.3 MATLAB程序基本设计原则46

习题47

第3章 机电控制系统的数学模型49

3.1 机电控制系统的微分方程49

3.1.1 概述49

3.1.2 列写微分方程的一般方法50

3.2 数学模型建模实例51

3.3 机电控制系统按数学模型的分类54

3.4 机电控制系统的线性化数学模型55

3.5 拉普拉斯变换57

3.6 拉普拉斯反变换58

3.7 机电控制系统的传递函数61

3.7.1 传递函数的定义与性质61

3.7.2 传递函数的零点、极点和放大系数62

3.8 典型环节及其传递函数64

3.9 相似原理68

3.10 MATLAB的仿真集成环境Simulink69

3.10.1 传递函数方框图69

3.10.2 仿真工具Simulink72

3.11 系统模型的连接76

3.11.1 模型串联77

3.11.2 模型并联77

3.11.3 反馈连接78

3.11.4 系统扩展79

3.12 状态空间法建模79

3.13 系统模型的转换84

习题86

第4章 机电控制系统的时域分析89

4.1 机电控制系统的典型输入信号89

4.2 MATLAB在时域分析中的应用91

4.2.1 时域分析中MATLAB函数的应用91

4.2.2 MATLAB在时域分析中的应用实例92

4.3 一阶系统的时域分析93

4.3.1 单位阶跃响应93

4.3.2 单位斜坡响应94

4.3.3 单位脉冲响应96

4.4 二阶系统97

4.4.1 二阶系统的单位脉冲响应99

4.4.2 二阶系统的单位阶跃响应101

4.4.3 二阶系统响应的性能指标104

4.5 高阶系统113

4.6 系统稳定性的初步概念117

4.6.1 系统不稳定现象的发生117

4.6.2 稳定的定义和条件119

4.6.3 关于稳定性的一些提法121

4.7 Routh稳定判据122

4.7.1 Routh稳定判据122

4.7.2 Routh判据的特殊情况125

4.8 系统误差分析与计算127

4.8.1 误差e（t）的一般计算127

4.8.2 系统的稳态误差128

4.8.3 与输入有关的稳态误差128

4.8.4 与干扰有关的稳态误差131

4.9 实例分析133

习题136

第5章 系统的频率响应法140

5.1 频率特性140

5.1.1 频率响应140

5.1.2 频率响应的定义141

5.2 Nyquist图示法147

5.2.1 典型环节的Nyquist图147

5.2.2 开环系统的Nyquist图152

5.2.3 用MATLAB函数绘制Nyquist图156

5.3 Nyquist稳定判据158

5.3.1 幅角原理（Cauchy定理）158

5.3.2 Nyquist稳定判据160

5.3.3 Nyquist判据应用举例162

5.4 Bode图示法167

5.4.1 频率特性的对数坐标图167

5.4.2 典型环节的Bode图169

5.4.3 利用MATLAB函数绘制Bode图180

5.5 Bode稳定判据181

5.5.1 Nyquist图和Bode图的对应关系181

5.5.2 穿越的概念182

5.5.3 Bode稳定判据182

5.6 系统的相对稳定性183

5.6.1 相位裕度γ183

5.6.2 幅值裕度Kg183

5.7 频率特性与时域响应的关系186

5.8 最小相位系统与非最小相位系统194

5.9 线性系统的根轨迹分析196

5.9.1 二阶系统的根轨迹分析196

5.9.2 根轨迹绘制原理200

5.9.3 绘制根轨迹的MATLAB工具200

5.10 稳定性计算举例202

5.10.1 实例1：仿形刀架202

5.10.2 实例2：电液位置伺服控制系统205

5.10.3 实例3：计算机控制的电液伺服位置控制系统211

习题219

第6章 系统的性能指标与校正223

6.1 系统的性能指标223

6.1.1 时域性能指标223

6.1.2 频域性能指标224

6.1.3 综合性能指标（误差准则）224

6.2 系统的校正225

6.3 PID校正226

6.3.1 基于MATLAB的比例（P）控制227

6.3.2 基于MATLAB的PD调节器228

6.3.3 基于MATLAB的PI调节器231

6.3.4 基于MATLAB的PID调节器232

6.4 串联校正234

6.4.1 基于MATLAB的相位超前校正234

6.4.2 基于MATLAB的相位滞后校正242

6.4.3 基于MATLAB的相位滞后—超前校正253

6.5 根轨迹设计法263

6.6 关于系统校正的一点讨论269

习题269

第7章 状态空间法基础272

7.1 引论272

7.2 状态空间表达式的建立273

7.2.1 由结构图模型建立状态空间表达式273

7.2.2 由传递函数模型建立状态空间表达式276

7.3 状态变换280

7.3.1 状态向量的非唯一性及特征不变性281

7.3.2 常用标准型282

7.3.3 MATLAB下建立状态空间模型286

7.4 系统能控性和能观性286

7.4.1 能控性287

7.4.2 能观性289

7.4.3 单输入系统的能控标准型和能观标准型290

7.4.4 基于MATLAB的能控性与能观性分析293

7.5 李亚普诺夫稳定性与判别方法296

7.5.1 李亚普诺夫的稳定性判据297

7.5.2 线性定常系统的李亚普诺夫稳定性分析297

7.5.3 基于MATLAB的李亚普诺夫稳定性分析298

7.6 线性定常系统的设计与综合300

7.6.1 状态反馈实现极点配置300

7.6.2 最优控制系统的设计306

习题309

第8章 离散控制系统辅助设计313

8.1 概述313

8.1.1 离散控制系统的基本组成313

8.1.2 数字控制系统工作过程314

8.1.3 离散控制系统的基本特点314

8.1.4 离散控制系统的研究方法314

8.2 离散信号的数学描述316

8.2.1 采样过程及采样定理316

8.2.2 保持器的数学描述317

8.3 Z变换319

8.3.1 离散信号的Z变换319

8.3.2 Z变换和Z反变换的MATLAB实现321

8.4 离散控制系统的数学模型323

8.4.1 离散系统的时域数学模型323

8.4.2 离散系统的频域数学模型325

8.5 离散控制系统分析327

8.5.1 离散控制系统的稳定性327

8.5.2 采样周期与开环增益对稳定性的影响330

8.5.3 离散控制系统MATLAB时域响应和频域响应332

8.6 频率特性和根轨迹设计337

习题342

第9章 非线性控制系统344

9.1 非线性系统概述344

9.1.1 典型的非线性特性344

9.1.2 非线性系统的特点347

9.2 非线性元件的描述函数347

9.2.1 描述函数的基本概念347

9.2.2 非线性元件描述函数348

9.3 用描述函数分析非线性控制系统351

9.4 相轨迹352

9.4.1 相轨迹的基本概念352

9.4.2 相轨迹的绘制354

9.4.3 奇点的分类与极限环355

9.4.4 由相轨迹求系统的瞬态响应356

9.5 非线性系统的相平面分析357

9.5.1 具有分段线性的非线性系统358

9.5.2 继电器型非线性系统359

9.6 非线性因素对稳定性的影响361

9.7 利用Simulink仿真平台分析非线性控制系统实例367

习题375

参考文献377