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第一章 概述1

第一节 自动控制系统的基本概念1

第二节 自动控制系统的基本结构形式4

一、开环控制系统4

二、闭环控制系统4

三、开环与闭环控制系统的比较6

第三节 自动控制系统的分类9

一、按控制系统的结构分类9

二、按系统给定信号的特征分类9

三、按系统传输信号的性质分类9

四、按系统的输入输出信号的数量分类9

五、按系统的数学描述分类10

六、按系统的参数是否随时间变化分类11

第四节 对自动控制系统的基本要求12

一、稳定性12

二、瞬态性能12

三、稳态误差12

第五节 自动控制理论的发展概况12

一、早期的自动控制系统12

二、经典控制理论13

三、现代控制理论14

四、大系统控制理论与智能控制理论14

第六节 本书的主要内容及结构体系15

习题一15

第二章 连续时间控制系统的数学模型19

第一节 列写动态系统的微分方程19

一、几个典型的例子19

二、微分方程模型及相似系统26

三、动态系统建模举例27

第二节 状态及状态空间模型31

一、状态空间的基本概念31

二、状态空间模型的建立33

三、关于状态空间模型的说明39

第三节 特殊环节的建模及处理41

一、纯滞后41

二、分布参数42

三、积分43

四、高阶44

五、非线性环节的线性化处理45

第四节 控制系统中其他环节的数学模型48

一、控制器的数学模型48

二、测量元件的数学模型49

三、执行机构的数学模型51

第五节 传递函数与方块图52

一、基本概念52

二、关于传递函数的讨论53

三、系统方块图55

第六节 信号流图与梅逊公式66

一、信号流图的基本构成66

二、信号流图的绘制67

三、梅逊增益公式67

第七节 各种数学模型间的关系70

一、由微分方程转换为状态方程70

二、由状态空间表达式求传递函数73

三、状态变换和状态变换中特征值的不变性75

四、由传递函数求状态空间表达式77

五、由方块图求系统状态空间表达式81

本章小结82

习题二82

第三章 连续时间控制系统的时域分析90

第一节 概述90

一、概述90

二、典型输入信号90

第二节 微分方程的经典求解方法92

一、系统的稳态响应求解92

二、微分方程的暂态响应求解95

三、暂态响应的时间常数97

第三节 微分方程的拉氏变换求解方法97

第四节 控制系统的性能指标及时域分析99

一、控制系统的时域性能指标99

二、控制系统的时域分析103

第五节 高阶系统的暂态响应113

一、高阶系统的阶跃响应113

二、高阶系统的闭环主导极点114

第六节 常规控制器及其对系统的影响115

一、常规控制器的控制规律115

二、控制器参数对控制过程的影响118

三、测量滞后对控制过程的影响120

第七节 状态方程的求解与分析120

一、线性定常齐次状态方程的解120

二、状态转移矩阵122

三、线性定常状态方程的解127

四、状态空间模型下的系统输出响应128

第八节 被控对象的实验建模130

一、常用的实验测试方法130

二、输入测试信号131

三、实验测试数据的处理132

本章小结134

习题三135

第四章 连续时间控制系统的稳定性与稳态误差139

第一节 劳斯稳定判据139

一、稳定性139

二、劳斯判据141

三、劳斯判据的应用145

四、赫尔维茨判据147

第二节 反馈控制系统的稳态误差148

一、稳态误差148

二、反馈控制系统的“型”149

三、稳态误差系数153

第三节 等效单位负反馈系统158

本章小结159

习题四159

第五章 根轨迹分析法162

第一节 概述162

一、根轨迹概念162

二、闭环零、极点和开环零、极点之间的关系164

三、根轨迹方程165

第二节 根轨迹的绘制方法166

第三节 广义根轨迹183

一、参数根轨迹183

二、零度根轨迹185

三、纯滞后系统的根轨迹187

第四节 基于根轨迹的系统性能分析192

一、开环极点对系统性能的影响192

二、开环零点对系统性能的影响193

三、增益K的选取195

第五节 基于根轨迹的系统补偿器设计196

一、超前补偿器的设计196

二、滞后补偿器的设计198

三、PID控制器的设计200

本章小结201

习题五202

第六章 频率特性分析法206

第一节 概述206

第二节 频率特性及其图示法208

一、频率特性的定义208

二、频率特性的图示法209

第三节 开环系统典型环节分解和频率特性曲线的绘制211

一、开环系统典型环节分解211

二、典型环节的幅相曲线绘制212

三、系统的开环幅相曲线绘制216

四、典型环节Bode图的绘制224

五、开环对数频率特性曲线绘制228

六、由频域实验确定系统传递函数233

第四节 奈奎斯特（Nyquist）稳定性判据236

一、Nyquist稳定性判据236

二、Nyquist稳定性判据的应用241

三、稳定裕度245

第五节 基于频率响应的补偿器设计248

一、频域指标与时域指标的关系248

二、超前补偿器的设计250

三、滞后补偿器的设计253

第六节 系统的闭环频率响应256

一、闭环频率特性257

二、等M圆257

三、等N圆258

本章小结259

习题六259

第七章 线性离散时间控制系统分析与综合264

第一节 采样过程与采样定理264

一、采样过程的数学描述264

二、采样信号的频谱分析265

三、采样定理267

四、采样信号的复现268

第二节Z变换基础269

一、Z变换270

二、Z变换的几个性质271

三、Z反变换272

四、改进Z变换274

五、Z变换的局限性277

第三节 线性离散系统的数学描述及求解277

一、差分方程及其求解277

二、脉冲传递函数279

三、离散系统的状态空间模型287

第四节 离散系统的分析与设计298

一、离散系统的稳定性298

二、基于z域的分析与设计305

三、基于频率特性的分析与设计310

第五节 数字控制系统简介311

一、基于连续系统的分析与设计311

二、基于离散系统的分析与设计313

本章小结317

习题七317

第八章 线性定常系统的状态空间分析法322

第一节 线性定常连续系统的能控性和能观性322

一、直观理解322

二、能控性定义和能观性定义324

三、能控性判别325

四、能观性判别333

五、对偶原理335

第二节 线性定常连续系统的线性变换与结构分解336

一、非奇异线性变换336

二、状态空间的几种标准型式337

三、结构分解340

四、状态空间描述与传递函数描述的关系344

第三节 线性定常连续系统的状态反馈控制346

一、状态反馈控制的基本概念346

二、闭环线性系统的能控性与能观性348

三、状态反馈极点配置349

四、状态反馈镇定356

第四节 最优控制358

一、最优控制概述358

二、线性系统二次型最优控制问题359

三、状态调节器361

第五节 线性定常连续系统的状态观测器364

一、状态观测器364

二、降维状态观测器368

三、状态观测反馈系统（分离定理）370

第六节 线性定常离散系统的状态空间分析法372

一、离散系统的能控性372

二、离散系统的能观性373

三、连续系统与离散系统的关联与区别374

四、连续动态系统离散化后的能控性与能观性375

第七节 内模控制器设计376

本章小结378

习题八378

第九章 非线性系统分析383

第一节 控制系统中的典型非线性特性383

一、典型非线性特性383

二、非线性控制系统的特殊性385

三、非线性控制系统的分析方法386

第二节 相平面法386

一、相平面的基本概念386

二、相轨迹的性质386

三、相轨迹的绘制387

四、二阶线性系统的相轨迹389

五、非线性系统的相轨迹391

六、由相轨迹求时间解392

七、相平面分析392

第三节 描述函数法396

一、描述函数的概念397

二、典型非线性特性的描述函数397

三、描述函数分析法403

第四节 李雅普诺夫稳定性分析409

一、自治系统及其平衡状态409

二、李雅普诺夫稳定性定义410

三、李雅普诺夫稳定性的间接判别法412

四、李雅普诺夫稳定性的直接判别法414

五、线性连续定常系统的李雅普诺夫稳定性分析418

六、离散系统的李雅普诺夫稳定性分析420

本章小结421

习题九422

附录 拉普拉斯变换424

参考文献428