-
第一章自动控制的一般概念
自动控制在现代工业、农业、国防和科学技术方面起着十分重要的作用，学习并掌握好自动控制技术，有着十分重要的作用。
-
●1.1自动控制的概念及性能要求
自动控制，就是在没有人直接参与下的控制，而自动控制的基本任务，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。工程上，常常从稳、快、准三个方面来评价自动控制系统的总体精度。
-
●1.2自动控制的基本方式
根据不同的信号源来分析，自动控制可分为开环控制，按偏差调节的闭环控制和复合控制三种基本控制方式。不同的控制方式具有不同的特点，适用于不同的场合，选择合适的控制方式对于实现控制系统的稳定具有重要意义。
-
第二章自动控制系统的数学模型
分析和设计一个控制系统，首要的任务是建立系统的数学模型。本章研究的是系统的输入输出之间的动态关系，因而描述系统输入输出关系的微分方程是最直接的数学模型。
-
●2.1控制系统微分方程的建立
要建立一个控制系统的微分方程，首先必须了解整个系统的组成、工作原理，然后根据各组成元件的物理定律，列写出整个系统输出变量与输入变量之间关系的动态关系式，即微分方程。
-
●2.2传递函数
研究系统的结构或参数变化对输出的影响时，利用微分方程的方式即不方便，又很难求得一个规律性的结论。于是学习另外一个数学模型，即传递函数具有重要意义。
-
●2.3典型元部件的传函，典型环节
控制系统是由各种元部件组成的，他们可以是电子的、机械的、液压的、气动的等等。为了求得整个系统的传递函数，首先必须求得各个元部件的传递函数。一个系统的传递函数可分解为若干个基本因子的乘积，每个基本因子就称为典型环节。
-
●2.4动态结构图
动态结构图是表示组成控制系统的各个元件之间信号传递动态关系的图形。系统中每个元件用一个或几个方框图表示，然后，根据信号传递先后顺序用信号线按一定方式连接起来，就构成了系统的动态结构图。动态结构图是一种数学模型，采用它将更便于求传递函数，同时能形象直观地表明输入信号在系统或元件中的传递过程。
-
●2.5动态结构图的等效变换（一）
动态结构图表示了系统中各信号之间的传递与运算的全部关系，可以用动态结构图求出输入输出之间的传递关系，因此可以用动态结构图来求解系统的传递函数。但是，有时系统的动态结构图是很复杂的，需要简化后才能求出传递函数。
-
●2.6动态结构图的等效变换（二）
如何用动态结构图的等效变换求得系统的传递函数，将动态结构图的等效变换法则运用于实例中是必须具备的能力。
-
●2.7梅森公式
要想用动态结构图变换的方法求复杂系统的传递函数，需要对系统的动态结构图进行多种变换，有时候是很繁琐的，而用梅森公式方法就会很简单，它不需要对结构图进行任何变换，只需要对结构图观察，分析后，就可以写出系统的传递函数。
-
●2.8典型反馈系统的几种传递函数
反馈控制系统的传递函数是在零初始条件下，系统的输出变量与输入变量的拉普拉斯变换之比。它可以通过系统的微分方程，或者动态结构图求出。这里介绍反馈控制系统的几个传递函数的概念。
-
第三章时域分析法
时域分析法是根据系统的微分方程，以拉普拉斯变换作为数学工具，直接求解出控制系统响应的分析方法，是一种直接分析法，可以提供系统时间响应的全部信息。
-
●3.1时域分析基础
一、时域分析法的特点
二、典型厨师状态、典型外作用
三、典型时间响应
四、阶跃响应的性能指标 -
●3.2一阶系统的数学模型及响应
由一阶微分方程描述的系统，称为一阶系统。一些控制系统元部件及简单系统，如RC网络、发电机、空气加热器、液面控制系统等都是一阶系统。
-
●3.3二阶系统的数学模型和过阻尼系统的阶跃响应
二阶微分方程描述的系统，称为二阶系统。实际系统中有许多都是二阶系统例如RLC网络，具有质量的物体的运动，忽略电枢电感La后的电动机。尤其值得注意的是，许多高阶系统，在一定的条件下，常常作为二阶系统来研究。所以详细讨论和分析二阶系统的特性，有着十分重要的实际意义。
-
●3.4欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应
阻尼比大于0小于1的二阶系统称为欠阻尼二阶系统。在二阶系统中，欠阻尼二阶系统尤属多见。由于欠阻尼二阶系统具有一对实部为负的共轭负特征根，时间响应呈衰减振荡特性，故又称为振荡环节。
-
●3.5改进二阶系统响应的措施
一阶系统的响应唯一的与时间常数T有关。若要改善一阶系统响应的性能，只要改变时间常数T即可。例如，要提高一阶系统的快速性，只需要减少时间常数T。而二阶系统的性能与阻尼比密切相关，所以，改善二阶系统的响应特性，一般措施是改变二阶系统的阻尼比。阻尼比的变化，直接影响二阶系统的平稳性和快速性。常用的措施是误差信号的比例-微分控制和输出量的速度反馈控制。我们首先来看误差信号的比例-微分控制。
-
●3.6系统稳定性的概念和条件
稳定性是控制系统的重要性能，是系统正常工作的首要条件。因此，分析系统的稳定性并提出保证系统稳定的条件，是设计控制系统的基本任务之一。
-
●3.7赫尔维茨判据和林纳德-奇帕特判据
根据系统稳定性的数学条件判别系统的稳定性，必须知道系统所有特征根的符号。若能解出全部特征根，则立即可以判定系统是否稳定。然而，对于高阶系统，求特征根的难度是相当大的。因此，常常希望使用一种不必解出特征根，而直接可判断出根是否在s平面的虚轴之左的方法。本节所要介绍的稳定判据(也称代数判据)，就是根据特征方程的各项系数，直接判断系统的所有特征根是否都在s左半平面，即是否所有根都具有负实部。
-
●3.8劳思判据
系统特征方程阶次越高，采用赫尔维茨判据或林纳德-奇帕特判据时，计算行列式的工作量越大。对于这种情况，我们还可以采用劳斯判据判别系统的稳定性。
-
●3.9稳态误差的概念和计算
控制系统中的稳态误差是系统控制精度的一种度量。系统的稳态误差与系统本身的结构、参数以及外作用的形式密切相关。寻求计算稳态误差的方法，探讨稳态误差与系统结构、参数及外作用形式的关系，将是本节的主要内容。
-
●3.10稳态误差与系统结构参数的关系
掌握了系统的结构、参数、输入信号与稳态误差之间的规律性联系，就可以直接得出稳态误差，而不必用终值定理逐步计算。
-
第四章根轨迹法
本章主要介绍不直接求解高阶代数方程，采用图解法来确定闭环系统的极点在复平面的位置的方法——根轨迹法。这种方法主要是根据反馈控制系统的开闭环传递函数之间的关系，根据一些准则，直接由开环传递函数零极点求出闭环极点。本章主要介绍根轨迹的基本概念、根轨迹方程、绘制根轨迹的准则和用根轨迹分析系统的方法。
-
●4.1根轨迹的概念、相角方程模值方程
主要介绍根轨迹的概念、根轨迹方程、相角方程与模值方程及其应用。
-
●4.2根轨迹的基本法则一
主要介绍绘制根轨迹的5个基本法则：根轨迹的分支数，根轨迹的连续性与对称性，根轨迹的起点与终点，实轴上的根轨迹
-
●4.3根轨迹的基本法则二
主要介绍绘制根轨迹的2个基本法则：根轨迹的起始角和终止角、根轨迹的分离点坐标
-
●4.4根轨迹的基本法则三
主要介绍绘制根轨迹的3个基本法则：根轨迹的分离角与会合角、根轨迹与虚轴的交点、根之和与根之积。
-
●4.5等效开环传递函数的根轨迹 开环零极点变化时的根轨迹
主要介绍等效开环传递函数的概念及其求解方法、开环零点变化时的根轨迹求解。
-
●4.6开环极点变化时的根轨迹
主要介绍开环极点变化的根轨迹求解。
-
●4.7零度根轨迹的概念 基本法则
主要介绍零度根轨迹的概念，零度根轨迹的基本法则及其与常规根轨迹基本法则的区别。
-
●4.8闭环零极点分布与阶跃响应的关系
主要介绍系统闭环零极点分布与阶跃响应的关系，，主导极点与偶极子的概念、运用条件，利用主导极点估算系统的性能指标。
-
●4.9系统阶跃响应的根轨迹分析
主要通过具体的示例，说明如何应用根轨迹法分析系统在阶跃信号作用下的动态过程。
-
第五章频率域方法
本章主要内容是用频率域方法分析自动控制系统控制过程的性能，即稳定性、快速性、稳态精度等。通过本章内容的学习，让学生掌握频率特性的基本概念，幅相频率特性图与对数频率特性图的建立；熟悉典型环节的频率特性及其Nyquist图与Bode图；掌握系统开环频率特性（Nyquist图和Bode图）的绘制；了解最小相位系统的概念；重点掌握利用实测开环幅频特性确定最小相位系统的开环传递函数的方法和判断系统稳定性的几何判据，即乃奎斯特稳定判据（包括利用幅相频率特性曲线和对数频率特性曲线进行判断）；熟悉控制系统相角裕度、幅值裕度的基本定义和概念及计算方法。
-
●5.1频率特性的定义
系统在正弦信号作用下的频率特性及稳态输出。
-
●5.2频率特性的几种表示方法
传递函数的幅频特性、相频特性、幅相特性以及对数频率特性。
-
●5.3典型环节的频率特性1
比例环节、积分环节、惯性环节的幅相频率特性以及对数频率特性。
-
●5.4典型环节的频率特性2
二阶震荡环节、一阶微分环节、一阶不稳定环节、延迟环节的幅相频率特性以及对数频率特性。
-
●5.5开环幅相特性曲线
几种不同情况开环幅相特性曲线的绘制及开环幅相特性曲线的特点。
-
●5.6开环对数频率特性曲线
几种不同情况开环对数频率特性曲线的绘制及开环对数频率特性曲线的特点。
-
●5.7奈奎斯特稳定判据
奈奎斯特稳定判据及应用。
-
●5.8开环对数频率稳定判据
开环对数频率稳定判据及应用。
-
●5.9稳定裕量
稳定裕量、相角裕量的定义及其计算方法。
-
●5.10开环频率特性与阶跃响应的关系
开环频率特性与阶跃响应的关系、三频段的概念及其每个频段对系统性能的影响。
-
第六章控制系统的校正
控制系统的校正问题是自动控制系统设计理论的重要分支。传统的设计方法是单独进行控制器的设计，使得控制器和被控对象组成的系统，能够较好地完成自动控制的任务。它是一种原理性的局部设计，以达到系统的动态性能指标为目的，通过改变系统结构，或在系统中增加附加装置或元件对已有的系统（固有部分）进行再设计使之满足性能要求。
-
●6.1系统校正的定义、方式和方法
在系统的基本部分已经确定的条件下，设计校正装置的传递函数和调整系统放大系数，使系统的动态性能指标满足一定的要求。由于校正装置加入系统的方式和所起的作用不同，可分为串联校正，反馈校正，前置校正和干扰补偿校正。
-
●6.2相位超前校正
相位超前校正的作用主要是提供正的相移，相位超前主要发生在中频段，传递函数可以用无源网络来实现 。
-
●6.3相位滞后校正
相位滞后校正的作用主要是提供负的相移，利用高频衰减特性减小系统截止频率，改善系统稳定性和振荡性。
-
●6.4滞后超前校正、PID校正器
在工业自动化设备中，经常采用由电动或气动单元构成的组合型校正装置，由比例单元，微分单元和积分单元可以组成PD、PI及PID三种校正器。
-
●6.5串联校正频率域方法
串联校正的频率域方法设计基础是开环对数频率特性曲线与闭环系统品质的关系，选择合适的校正装置，使新的传递函数在所要求的增益下满足设计要求。
-
●6.6滞后-超前校正举例
滞后超前校正能够保证闭环系统具有所要求的品质，具体步骤先超前设计，再滞后设计。
-
●6.7串联校正的根轨迹方法
根轨迹设计的基础是闭环零、极点与系统品质之间的关系。校正设计的任务是，选择合适的校正装置的传递函数，使得所得的闭环根轨迹，在要求的增益下的主导极点，与期望的主导极点一致，从而保证闭环系统具有要求的动态性能指标。
-
●6.8反馈校正
反馈校正在控制系统中得到了广泛的应用，反馈校正对于系统的作用主要有：（1）利用反馈改变局部结构、参数。（2）利用反馈削弱非线性因素的影响。（3）反馈可提高对模型扰动的不灵敏性。（4）利用反馈可以抑制干扰。
-
●6.9复合校正
对于稳态精度、平稳性和快速性要求都很高的系统，或者受到经常作用的强干扰的系统，除了在主反馈回路内部进行串联校正或局部反馈校正之外，往往还同时采取设置在回路之外的前置校正或干扰补偿校正，这种开式、闭式相结合的校正，称为复合校正。具有复合校正的控制系统称为复合控制系统。主要分为对控制作用的附加前置校正和针对干扰作用的附加前置校正。
-
第七章非线性及采样系统分析
本章主要介绍非线性系统和采样系统理论。通过本章的学习，让学生掌握运用描述函数法分析非线性系统的稳定性和自振荡，并能正确计算自振荡的振幅和频率；运用相平面法分析非线性系统的动态响应；掌握脉冲传递函数的求解方法、离散系统稳定性的判定方法、离散系统稳态误差的计算方法、分析离散系统动态性能的方法等。
-
●7.1描述函数法分析非线性方程
用描述函数法分析非线性系统、自激震荡点的确定。
-
●7.2脉冲传递函数
串联环节间无采样开关、有采样开关、有零阶保持器时的开环脉冲传递函数。
