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1绪论1

1.1自动控制理论的形成与发展1

1.1.1经典控制理论阶段2

1.1.2现代控制理论阶段6

1.1.3智能控制理论阶段6

1.2自动控制系统的基本概念9

1.2.1人工控制与自动控制的比较9

1.2.2开环控制系统12

1.2.3闭环控制系统13

1.2.4复合控制系统14

1.3自动控制系统的基本构成15

1.3.1自动控制系统的基本环节15

1.3.2自动控制系统的基本变量16

1.4自动控制系统的分类16

1.4.1线性系统与非线性系统16

1.4.2连续系统与离散系统17

1.4.3恒值系统与随动系统18

1.4.4单输入、输出系统与多输入、输出系统18

1.4.5确定性系统与不确定性系统18

1.4.6集中参数系统与分布参数系统19

1.5自动控制系统的基本要求19

1.5.1稳定系统的判别及稳定性的要求20

1.5.2动态特性21

1.5.3静态特性24

1.6教学内容与要求25

1.6.1教学内容25

1.6.2基本要求25

本章小结26

习题26

2控制系统的数学模型27

2.1线性系统的微分方程27

2.2非线性系统的线性化30

2.3传递函数32

2.3.1传递函数的定义32

2.3.2传递函数的基本性质32

2.3.3典型环节的传递函数33

2.4方框图及其变换36

2.4.1方框图37

2.4.2方框图的等效变换39

2.5信号流图及其应用43

2.5.1信号流图的定义与术语44

2.5.2信号流图的基本性质44

2.5.3信号流图的绘制45

2.5.4信号流图的梅森公式46

2.6控制系统的典型传递函数48

2.6.1系统的开环传递函数48

2.6.2系统的闭环传递函数48

2.6.3系统的误差传递函数49

2.7用Matlab处理系统数学模型50

2.7.1多项式求根50

2.7.2传递函数51

2.7.3零极点模型52

2.7.4方框图53

本章小结55

习题55

3控制系统的时域分析59

3.1典型输入信号59

3.2线性定常系统的时域响应与性能指标61

3.2.1线性定常系统的时域响应61

3.2.2控制系统时域响应的性能指标62

3.3一阶系统的时域响应63

3.3.1一阶系统的单位阶跃响应63

3.3.2一阶系统的单位脉冲响应64

3.3.3线性定常系统的重要特性65

3.4二阶系统的时域响应65

3.4.1二阶系统的数学模型65

3.4.2二阶系统的单位阶跃响应67

3.4.3二阶系统的单位脉冲响应75

3.4.4二阶系统的斜坡响应75

3.5高阶系统的时域响应76

3.5.1高阶系统单位阶跃响应76

3.5.2闭环主导极点78

3.6线性定常系统的稳定性79

3.6.1控制系统稳定性的概念与条件79

3.6.2线性定常系统稳定的充分必要条件80

3.6.3劳斯稳定判据81

3.6.4劳斯稳定判据的特殊情况83

3.6.5赫尔维茨稳定判据84

3.6.6稳定判据的应用85

3.6.7相对稳定性和稳定裕度87

3.7系统的稳态误差88

3.7.1误差及稳态误差的基本概念88

3.7.2系统稳态误差的计算90

3.7.3动态误差系数95

3.7.4改善系统稳态精度的途径97

3.8用Matlab和Simulink进行瞬态响应分析100

3.8.1单位脉冲响应100

3.8.2单位阶跃响应101

3.8.3斜坡响应102

3.8.4任意函数作用下系统的响应102

本章小结103

习题104

4根轨迹法107

4.1根轨迹法的概念107

4.2根轨迹方程109

4.3常规根轨迹及其绘制110

4.3.1根轨迹的起点和终点110

4.3.2根轨迹的分支数、对称性和连续性111

4.3.3根轨迹的渐近线111

4.3.4实轴上的根轨迹113

4.3.5根轨迹的分离点113

4.3.6根轨迹的出射角与入射角114

4.3.7根轨迹与虚轴的交点115

4.3.8闭环极点的和与积116

4.3.9开环根轨迹增益Kg的求取117

4.3.10绘制根轨迹的一般步骤117

4.4广义根轨迹及其绘制120

4.4.1参数根轨迹120

4.4.2零度根轨迹122

4.5用根轨迹分析控制系统125

4.5.1基于根轨迹的系统稳定性分析125

4.5.2基于根轨迹的系统稳态性能分析125

4.5.3基于根轨迹的系统动态性能分析126

4.5.4增加零、极点对根轨迹的影响127

4.6用Matlab绘制根轨迹128

本章小结132

习题132

5控制系统的频域分析135

5.1频率特性的基本概念135

5.1.1频率特性的概念135

5.1.2频率特性的表示方法138

5.2典型环节的频率特性141

5.2.1比例环节的频率特性141

5.2.2惯性环节的频率特性143

5.2.3积分环节的频率特性145

5.2.4微分环节的频率特性147

5.2.5振荡环节的频率特性149

5.2.6二阶微分环节的频率特性153

5.2.7时滞环节的频率特性154

5.3系统开环频率特性156

5.3.1开环幅相频率特性曲线的绘制156

5.3.2开环对数频率特性曲线的绘制163

5.3.3开环对数幅频特性低频段特点与系统型别的关系165

5.3.4最小相位系统和非最小相位系统168

5.4奈奎斯特稳定判据170

5.4.1辐角原理170

5.4.2奈氏判据171

5.4.3奈氏判据在Bode图中的应用178

5.5控制系统的相对稳定性180

5.5.1相位裕度180

5.5.2增益裕度181

5.5.3开环对数频率特性与相对稳定性的关系183

5.6闭环系统频率特性189

5.6.1开环频率特性与闭环频率特性的关系190

5.6.2等M圆图和等N圆图190

5.6.3尼柯尔斯图线193

5.6.4非单位反馈系统的闭环频率特性197

5.7频域性能指标与时域性能指标的关系198

5.7.1开环频域性能指标和时域性能指标的关系198

5.7.2闭环频域性能指标与时域性能指标的关系200

5.8用Matlab进行频域分析202

5.8.1频率特性图的绘制202

5.8.2相位裕度和增益裕度的计算206

5.8.3谐振峰值、谐振频率和系统带宽的计算209

本章小结211

习题211

6控制系统的校正与设计215

6.1控制系统校正的概念215

6.2基本控制规律分析219

6.2.1比例（P）控制规律219

6.2.2比例加微分（PD）控制规律219

6.2.3积分（I）控制规律221

6.2.4比例加积分（PI）控制规律221

6.2.5比例加积分加微分（PID）控制规律223

6.3常用校正装置及其特性224

6.3.1相位超前校正装置224

6.3.2相位滞后校正装置226

6.3.3相位滞后-超前校正装置227

6.4频率法串联校正228

6.4.1超前校正229

6.4.2滞后校正231

6.4.3滞后-超前校正233

6.4.4按系统期望频率特性进行校正235

6.5根轨迹法串联校正238

6.5.1超前校正239

6.5.2滞后校正241

6.5.3滞后-超前校正243

6.6反馈校正及其参数确定243

6.6.1反馈的功能243

6.6.2根轨迹法确定反馈校正参数247

6.7用Matlab进行控制系统的校正249

6.7.1相位超前校正装置249

6.7.2相位滞后校正装置251

6.7.3滞后-超前校正装置252

本章小结255

习题255

7非线性控制系统259

7.1非线性系统概述259

7.1.1典型非线性特性260

7.1.2非线性系统的基本特征262

7.1.3非线性系统的分析方法263

7.2描述函数法264

7.2.1描述函数法的基本概念264

7.2.2典型非线性特性的描述函数265

7.2.3用描述函数法分析非线性系统稳定性273

7.3相平面法277

7.3.1相平面法的基本概念277

7.3.2相轨迹的绘制278

7.3.3相平面分析281

7.4用Matlab进行非线性控制系统分析291

本章小结294

习题295

8离散控制系统297

8.1离散系统的基本概念297

8.1.1离散控制系统的定义297

8.1.2离散控制系统的特点300

8.1.3离散控制系统的研究方法301

8.2信号的采样与保持301

8.2.1采样过程及其数学描述301

8.2.2采样定理303

8.2.3信号的复现与零阶保持器305

8.3 z变换理论307

8.3.1 z变换的定义307

8.3.2 z变换的方法308

8.3.3 z变换基本定理313

8.3.4 z反变换315

8.4离散控制系统的数学模型318

8.4.1差分方程318

8.4.2脉冲传递函数320

8.4.3差分方程和脉冲传递函数的关系331

8.5离散控制系统的分析331

8.5.1离散控制系统的稳定性331

8.5.2离散控制系统的动态性能分析336

8.5.3离散控制系统的稳态误差339

8.6离散控制系统的数字校正343

8.6.1数字控制器的脉冲传递函数343

8.6.2最少拍系统设计345

8.7应用Matlab分析离散控制系统349

本章小结352

习题353

参考文献356