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第1章 自动控制的一般概念1

1.1 自动控制与自动控制系统1

1.2 自动控制的方式2

1.2.1 开环控制与闭环控制2

1.2.2 闭环控制系统的组成4

1.3 自动控制系统的分类5

1.4 对自动控制系统的基本要求7

1.5 自动控制系统的分析与设计工具8

本章小结10

习题10

第2章 控制系统的数学模型12

2.1 引言12

2.2 控制系统的时域数学模型12

2.2.1 线性元件的微分方程12

2.2.2 控制系统的微分方程的建立14

2.2.3 线性微分方程的求解15

2.2.4 非线性元件微分方程的线性化16

2.3 控制系统的复数域数学模型18

2.3.1 传递函数的定义和性质19

2.3.2 传递函数的几种表示形式20

2.3.3 典型环节及其传递函数21

2.4 控制系统的方块图及其等效变换25

2.4.1 方块图定义25

2.4.2 方块图组成及绘制25

2.4.3 方块图的等效变换26

2.4.4 控制系统的传递函数28

2.5 控制系统的信号流图33

2.5.1 信号流图及其等效变换33

2.5.2 梅森公式及其应用36

2.6 数学模型的实验测定法37

2.7 MATLAB在控制系统数学模型中的应用40

本章小结43

习题43

第3章 线性系统的时域分析法47

3.1 典型输入信号及性能指标47

3.1.1 典型输入信号47

3.1.2 稳态指标与动态指标48

3.2 一阶系统的时域分析49

3.2.1 一阶系统的单位阶跃响应50

3.2.2 一阶系统的单位脉冲响应50

3.2.3 一阶系统的单位斜坡响应51

3.2.4 一阶系统的单位加速度响应51

3.3 二阶系统的时域分析52

3.3.1 二阶系统的阶跃响应52

3.3.2 二阶系统阶跃响应的性能指标55

3.3.3 二阶系统性能指标的改善57

3.4 高阶系统的时域分析60

3.5 线性系统的稳定性分析62

3.5.1 稳定的基本概念和系统稳定的充要条件63

3.5.2 劳斯稳定判据64

3.5.3 劳斯稳定判据的应用67

3.6 线性系统的稳态误差68

3.6.1 稳态误差的定义68

3.6.2 系统类型70

3.6.3 给定作用下的稳态误差70

3.6.4 扰动作用下的稳态误差73

3.6.5 减小或消除稳态误差的措施73

3.7 MATLAB在时域分析法中的应用77

本章小结80

习题81

第4章 线性系统的根轨迹分析法84

4.1 根轨迹的基本概念84

4.1.1 根轨迹84

4.1.2 根轨迹的幅值条件和相角条件85

4.2 根轨迹的绘制法则86

4.2.1 绘制常规根轨迹一般法则86

4.2.2 根轨迹绘制举例94

4.3 广义根轨迹96

4.3.1 参量根轨迹96

4.3.2 零度根轨迹98

4.4 开环零极点变化对根轨迹的影响100

4.4.1 开环零极点位置的相对变化对根轨迹的影响100

4.4.2 增加开环零点对根轨迹的影响101

4.4.3 增加开环极点对根轨迹的影响102

4.5 根轨迹法分析控制系统103

4.5.1 根轨迹确定系统的闭环极点103

4.5.2 系统的稳定性分析及相关参数的确定103

4.5.3 根轨迹分析系统的动态性能105

4.6 MATLAB存根轨迹分析中的应用105

4.6.1 系统根轨迹绘制106

4.6.2 由根轨迹图分析系统性能107

本章小结109

习题109

第5章 线性系统的频域分析法112

5.1 频率特性及其表示法112

5.1.1 频率特性的基本概念112

5.1.2 频率特性的几种表示法114

5.2 频率特性的极坐标图（Nyquist图）116

5.2.1 典型环节频率特性的极坐标图116

5.2.2 系统开环频率特性的极坐标图119

5.3 频率特性的对数坐标图122

5.3.1 典型环节频率特性的Bode图122

5.3.2 系统开环频率特性的Bode图126

5.3.3 最小相位系统128

5.3.4 传递函数的频域实验确定129

5.4 频率域的稳定判据130

5.4.1 幅角原理130

5.4.2 奈奎斯特稳定判据131

5.4.3 对数频率稳定判据134

5.5 稳定裕度135

5.5.1 稳定裕度的定义135

5.5.2 稳定裕度的计算136

5.6 利用开环频率特性分析系统的性能138

5.7 利用闭环频率特性分析系统的性能140

5.7.1 闭环频率特性140

5.7.2 闭环频域指标与时域指标的关系140

5.7.3 开环频域指标与时域指标的关系142

5.8 MATLAB在频率分析法中的应用143

本章小结145

习题145

第6章 控制系统的校正148

6.1 引言148

6.2 PID控制方法的分析150

6.2.1 P控制器150

6.2.2 PI控制器150

6.2.3 PD控制器151

6.2.4 PID控制器151

6.2.5 PID控制器参数整定154

6.3 常用校正装置及其特性156

6.3.1 超前校正装置及其特性157

6.3.2 滞后校正装置及其特性157

6.3.3 滞后－超前校正装置及其特性158

6.4 基于频率法的串联校正设计159

6.4.1 串联超前校正159

6.4.2 串联滞后校正161

6.4.3 串联超前－滞后校正163

6.4.4 按期望特性对系统进行串联校正165

6.5 反馈校正166

6.5.1 利用反馈校正改变局部环节的结构与参数167

6.5.2 利用负反馈可以消除系统不可变部分中的不希望有的特性168

6.5.3 利用反馈校正抑制一些严重扰动168

6.6 MATLAB在控制系统校正中的应用169

6.6.1 MATLAB指令在系统校正中的应用170

6.6.2 Simulink在系统校正中的应用171

本章小结172

习题173

第7章 线性离散控制系统175

7.1 引言175

7.2 采样与保持176

7.2.1 采样过程177

7.2.2 理想采样过程178

7.2.3 保持器179

7.3 z变换181

7.3.1 时间函数的z变换181

7.3.2 z变换的性质184

7.3.3 z反变换186

7.4 脉冲传递函数188

7.4.1 脉冲传递函数的推导与计算188

7.4.2 开环脉冲传递函数189

7.4.3 闭环系统脉冲传递函数192

7.5 离散控制系统的稳定性分析196

7.5.1 s平面与z平面之间的映射196

7.5.2 z平面上的稳定性分析方法197

7.5.3 双线变换性198

7.5.4 w平面上的稳定性分析方法199

7.6 离散控制系统的时间响应199

7.6.1 闭环极点与冲激响应的关系199

7.6.2 离散系统的动态响应指标202

7.6.3 离散系统的稳态误差203

7.7 离散控制系统的校正205

7.7.1 数字控制器的脉冲传递函数205

7.7.2 最少拍系统设计206

7.7.3 数字校正装置的实现209

7.8 利用MATLAB进行离散控制系统分析209

7.8.1 数学模型的处理210

7.8.2 离散系统的输出响应211

7.8.3 用Simulink 对离散系统进行仿真212

本章小结212

习题213

第8章 非线性系统分析216

8.1 非线性系统的概述216

8.1.1 典型的非线性特性216

8.1.2 非线性系统的特点218

8.2 描述函数分析法219

8.2.1 描述函数的基本概念219

8.2.2 典型非线性环节的描述函数221

8.2.3 非线性系统的简化224

8.2.4 基于描述函数法的非线性系统的分析226

8.3 基于MATLAB/Simulink的非线性系统分析230

本章小结231

习题231

附录A 习题参考答案233

参考文献244