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1.1 自动控制系统的一般概念1

第1章 引论1

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4

1.2.3 闭环控制系统的基本组成6

1.3 自动控制系统的类型6

1.3.1 按信号流向划分6

1.3.2 按输入信号变化规律划分7

1.3.3 线性系统和非线性系统7

1.3.4 定常系统和时变系统8

1.3.5 连续系统和离散系统8

1.4 控制系统性能的基本要求和本课程的主要任务9

1.4.1 控制系统性能的基本要求9

1.3.6 单输入单输出系统与多输入多输出系统9

1.4.2 本课程的主要任务10

1.5 自动控制系统实例11

1.5.1 烘烤炉温度控制系统11

1.5.2 传动控制系统12

本章小结13

习题13

第2章 线性系统的数学模型15

2.1 线性系统的时域数学模型——微分方程15

2.1.1 列写系统微分方程的一般方法15

2.1.2 线性系统的特点16

2.1.3 线性定常微分方程求解16

2.1.4 运动的模态17

2.2 非线性数学模型的线性化18

2.3.1 传递函数的定义19

2.3 线性系统的复域数学模型——传递函数19

2.3.2 传递函数的性质20

2.3.3 传递函数的零点和极点20

2.3.4 典型环节的传递函数21

2.4 结构图23

2.4.1 结构图的组成和绘制23

2.4.2 结构图的等效变换和简化24

2.5 信号流图和梅逊增益公式的应用27

2.5.1 信号流图的术语和性质28

2.5.2 信号流图的绘制28

2.5.3 信号流图的简化30

2.5.4 信号流图的梅逊增益公式31

2.6.3 控制系统的零极点模型33

2.6.2 控制系统的结构图模型33

2.6.1 传递函数33

2.6 MATLAB中数学模型的表示33

本章小结34

习题34

第3章 控制系统的时域分析38

3.1 控制系统的时域响应及其性能指标38

3.1.1 时域响应38

3.1.2 稳态性能指标39

3.1.3 动态性能指标39

3.2 典型输入信号40

3.2.1 阶跃函数41

3.2.2 斜坡函数41

3.2.3 抛物线函数41

3.2.5 正弦函数42

3.2.4 脉冲函数42

3.3 一阶系统的时域响应43

3.3.1 一阶系统数学模型43

3.3.2 一阶系统的单位阶跃响应44

3.3.3 一阶系统的单位脉冲响应46

3.3.4 一阶系统的单位斜坡响应47

3.4 二阶系统的时域响应48

3.4.1 二阶系统的数学模型48

3.4.2 二阶系统的单位阶跃响应49

3.4.3 二阶系统的阶跃响应的性能指标53

3.4.4 二阶系统的动态校正56

3.5 高阶系统的时域响应60

3.5.1 高阶系统的时域响应60

3.5.2 闭环主导极点61

3.5.3 零极点对阶跃响应的影响63

3.6 线性定常系统的稳定性65

3.6.1 稳定性的概念65

3.6.2 线性定常系统稳定的充分必要条件66

3.6.3 劳斯稳定判据67

3.6.4 赫尔维茨判据72

3.6.5 控制系统参数对稳定性的影响73

3.6.6 相对稳定性和稳定裕量75

3.7 控制系统的稳态误差76

3.7.1 误差及稳态误差76

3.7.2 系统类型77

3.7.3 应用静态误差系数计算给定信号作用下的稳态误差78

3.7.4 扰动信号作用下的稳态误差与系统结构的关系82

3.8.1 用MATLAB求系统的脉冲响应85

3.8 用MATLAB和Simulink进行瞬态响应分析85

3.7.5 提高系统稳态精度的方法85

3.8.2 用MATLAB求系统的阶跃响应86

3.8.3 用MATLAB求系统的斜坡响应88

3.8.4 任意函数作用下系统的响应89

3.8.5 Simulink中的时域响应举例92

本章小结95

习题96

第4章 根轨迹法100

4.1 根轨迹的基本概念100

4.1.1 根轨迹概念100

4.1.2 根轨迹方程101

4.2 根轨迹绘制的基本法则102

4.2.1 绘制根轨迹的基本法则103

4.2.2 根轨迹绘制举例109

4.3 广义根轨迹114

4.3.1 参数根轨迹114

4.3.2 零度根轨迹115

4.4 控制系统的根轨迹法分析118

4.4.1 控制系统的稳定性分析118

4.4.2 控制系统的暂态性能分析119

4.4.3 系统的稳态性能分析121

4.4.4 利用MATLAB绘制系统的根轨迹122

本章小结122

习题123

第5章 控制系统的频域分析法126

5.1 频率特性127

5.1.1 频率特性的基本概念127

5.1.2 频率特性的求取131

5.1.3 频率特性的几何表示法132

5.1.4 开环系统的典型环节分解133

5.2 控制系统的对数频率特性图134

5.2.1 典型环节的Bode图134

5.2.2 开环系统的对数频率特性图（Bode图）141

5.2.3 最小相位和非最小相位系统144

5.3 控制系统的极坐标图146

5.3.1 典型环节的极坐标图146

5.3.2 开环系统的极坐标图151

5.4 奈奎斯特稳定判据154

5.4.1 幅角原理155

5.4.2 奈奎斯特稳定判据157

5.5 控制系统的相对稳定性162

5.5.2 相角裕度163

5.5.1 增益裕量163

5.5.3 相对稳定性与对数幅频特性中频段关系164

5.6 闭环系统的频率特性166

5.6.1 闭环频率特性166

5.6.2 等M圆167

5.6.3 等N圆168

5.6.4 等M圆和等N圆的应用169

5.6.5 尼柯尔斯图169

5.7 用频率特性分析系统品质171

5.7.1 闭环频域指标与时域指标的关系171

5.7.2 开环频率特性与时域响应的关系176

5.7.3 开环频域指标和闭环频域指标的关系178

5.8 传递函数的实验确定179

5.9 MATLAB频域特性分析181

5.9.1 用MATLAB绘制对数频率特性图182

5.9.2 用MATLAB绘制极坐标图183

本章小结184

习题185

第6章 控制系统的校正191

6.1 概述191

6.1.1 系统的性能指标191

6.1.2 系统的校正方法194

6.2 线性系统的基本控制规律196

6.2.1 比例（P）控制作用196

6.2.2 比例微分（PD）控制作用197

6.2.3 积分（I）控制作用198

6.2.4 比例积分微分（PID）控制作用199

6.3 校正装置及其特性200

6.3.1 超前校正装置201

6.3.2 滞后校正装置203

6.3.3 滞后-超前校正装置206

6.4 频率法进行串联校正207

6.4.1 频率法的串联超前校正208

6.4.2 频率法的串联滞后校正211

6.4.3 频率法的串联滞后-超前校正213

6.4.4 按期望特性对系统进行串联校正216

6.5 反馈校正220

6.5.1 反馈校正的原理与特点220

6.5.2 综合法反馈校正223

6.6 复合校正226

6.6.1 复合校正的基本概念226

6.6.2 按扰动补偿的复合校正226

6.6.3 按输入补偿的复合校正228

6.7.1 相位超前校正229

6.7 基于MATLAB和Simulink的线性控制系统校正229

6.7.2 相位滞后校正231

6.7.3 Simulink下的系统校正234

本章小结236

习题237

第7章 非线性控制系统分析240

7.1 非线性系统概述240

7.1.1 常见非线性特性241

7.1.2 非线性系统的特点245

7.1.3 非线性系统的分析与设计方法247

7.2 相平面法247

7.2.1 相平面的基本概念248

7.2.2 相轨迹的绘制249

7.3.2 奇点252

7.3.1 二阶线性系统的相轨迹252

7.3 二阶系统的相轨迹252

7.3.3 奇线254

7.3.4 非线性系统的相平面分析255

7.4 描述函数法261

7.4.1 描述函数定义261

7.4.2 描述函数的计算263

7.4.3 非线性系统的描述函数分析269

7.5 基于Simulink的非线性系统分析273

本章小结276

习题277

第8章 线性离散系统分析281

8.1 离散系统概述281

8.1.1 采样控制系统281

8.2 信号的采样与复现283

8.1.2 数字控制系统283

8.1.3 离散控制系统的特点283

8.2.1 采样过程284

8.2.2 采样定理285

8.2.3 零阶保持器287

8.3 z变换289

8.3.1 z变换定义289

8.3.2 z变换性质294

8.3.3 z反变换297

8.4 离散系统的数学模型299

8.4.1 线性常系数差分方程299

8.4.2 差分方程求解299

8.4.3 脉冲传递函数301

8.4.4 开环系统脉冲传递函数303

8.4.5 闭环系统脉冲传递函数305

8.5 离散系统的性能分析307

8.5.1 离散系统的稳定性分析308

8.5.2 离散系统的稳定性判据308

8.5.3 采样周期与开环增益对稳定性的影响310

8.5.4 离散系统的稳态误差311

8.5.5 闭环极点与瞬态响应的关系313

8.6 MATLAB在采样系统中的应用316

8.6.1 连续系统的离散化316

8.6.2 求离散系统响应317

本章小结318

习题318

附录A MATLAB和Simulink简介322

附录B 控制理论术语中英文对照表325

参考文献337