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第1章 绪论1

1．1 引言1

1．1．1 自动控制理论发展简史1

1．1．2 控制工程实践3

1．2 自动控制的基本原理4

1．2．1 人工控制与自动控制4

1．2．2 开环控制与闭环控制6

1．2．3 反馈控制系统的基本要求8

1．3 反馈控制系统的组成9

1．3．1 按构成系统的基本元件划分9

1．3．2 按系统内部基本功能环节划分10

1．3．3 若干常用术语11

1．4 控制系统的分类12

1．4．1 按参考输入信号特征分类12

1．4．2 按系统环节间信号传递形式分类12

1．4．3 按描述系统的动态方程分类13

1．5 控制系统应用实例三则13

1．6 控制系统设计概述16

1．7 本书内容安排18

1．7．1 组织结构18

1．7．2 学习安排19

1．8 小结19

习题120

第2章 控制系统的数学模型23

2．1 引言23

2．2 系统的微分方程23

2．2．1 列写物理系统的微分方程23

2．2．2 微分方程的增量化与无因次化27

2．2．3 非线性微分方程的线性化28

2．2．4 控制系统的微分方程30

2．3 传递函数32

2．3．1 线性系统传递函数的概念和定义33

2．3．2 传递函数的常用表现形式34

2．3．3 典型输入信号及其拉普拉斯变换35

2．3．4 单位脉冲响应函数37

2．3．5 求解系统输出响应的方法38

2．3．6 典型环节及其传递函数41

2．4 结构图47

2．4．1 结构图的组成和基本连接方式47

2．4．2 结构图的等效变换48

2．5 信号流图50

2．5．1 信号流图及有关术语51

2．5．2 信号流图的运算51

2．5．3 信号流图与结构图的对应关系52

2．5．4 梅逊公式及其应用53

2．6 输入-输出模型与内部状态模型的关系55

2．6．1 传递函数模型与相变量型状态流图模型55

2．6．2 传递函数模型与状态方程模型的相互转换56

2．7 利用MATLAB的建模和仿真57

2．7．1 输入传递函数和化简结构图57

2．7．2 求解系统的输出响应59

2．8 小结61

习题262

第3章 控制系统的稳定性及特性69

3．1 引言69

3．2 反馈控制系统的结构及其传递函数69

3．2．1 开环传递函数69

3．2．2 闭环传递函数70

3．2．3 偏差传递函数70

3．3 闭环系统的稳定性71

3．3．1 稳定性的概念和定义71

3．3．2 闭环传递函数的极点与系统的稳定性72

3．3．3 劳斯判据及其应用74

3．4 反馈控制系统的特性80

3．4．1 瞬态响应的改进80

3．4．2 稳态误差的减小81

3．4．3 对内部模型的灵敏度82

3．4．4 对外部干扰的抑制83

3．5 复杂反馈控制系统的基本结构及其特性85

3．5．1 内环反馈校正85

3．5．2 串级控制86

3．5．3 前馈-反馈控制88

3．6 利用MATLAB分析系统的稳定性及特性89

3．6．1 判定系统的稳定性90

3．6．2 求解灵敏度函数90

3．7 小结92

习题392

第4章 线性控制系统的时域分析97

4．1 引言97

4．2 测试输入信号与时域性能指标97

4．2．1 常用测试输入信号97

4．2．2 时域性能指标98

4．3 一阶系统的时域分析99

4．3．1 一阶系统的一般形式99

4．3．2 —阶系统的单位阶跃响应100

4．3．3 —阶系统的单位脉冲响应101

4．4 二阶系统的时域分析102

4．4．1 二阶系统的一般形式102

4．4．2 一阶系统的单位阶跃响应102

4．4．3 二阶系统单位阶跃响应的性能指标105

4．4．4 一阶系统的单位脉冲响应109

4．4．5 二阶系统的性能改善110

4．4．6 具有零点的二阶系统分析113

4．4．7 扰动作用下的二阶系统分析117

4．5 高阶系统的时域分析119

4．5．1 高阶系统的时域响应119

4．5．2 闭环主导极点120

4．6 稳态误差分析122

4．6．1 控制系统的类型123

4．6．2 参考输入作用下的稳态误差123

4．6．3 扰动输入作用下的稳态误差126

4．6．4 提高稳态精度的方法128

4．7 基本控制规律的时域分析131

4．7．1 比例（P）控制132

4．7．2 比例加微分（PD）控制132

4．7．3 比例加积分（PI）控制133

4．7．4 比例加积分加微分（PID）控制134

4．8 利用MATLAB进行控制系统的时域分析135

4．8．1 参考输入响应分析135

4．8．2 扰动输入响应分析136

4．9 小结137

习题4138

第5章 根轨迹分析法143

5．1 引言143

5．2 根轨迹的基本概念143

5．2．1 根轨迹图143

5．2．2 根轨迹方程145

5．3 绘制根轨迹的一般方法146

5．3．1 绘制根轨迹的基本法则147

5．3．2 参数根轨迹的绘制156

5．4 根轨迹法的扩展应用157

5．4．1 双回路系统的根轨迹157

5．4．2 延迟系统的根轨迹158

5．4．3度根轨迹的绘制162

5．5 开环零、极点对系统根轨迹的影响164

5．5．1 开环零点对根轨迹的影响164

5．5．2 开环极点对根轨迹的影响165

5．5．3 开环偶极子对根轨迹的影响165

5．6 利用MATLAB分析控制系统的根轨迹166

5．6．1 绘制根轨迹与求取根轨迹增益166

5．6．2 分析控制系统的稳定性168

5．7 小结169

习题5169

第6章 频率特性分析法172

6．1 引言172

6．2 频率特性的基本概念172

6．2．1 频率响应与频率特性的定义172

6．2．2 频率特性的物理意义174

6．2．3 反馈控制系统的典型频率特性175

6．3 频率特性图示法176

6．3．1 幅相频率特性曲线177

6．3．2 对数频率特性曲线177

6．3．3 对数幅相特性曲线178

6．4 系统的开环频率特性179

6．4．1 基本因式的频率特性179

6．4．2 幅相频率特性曲线的起点、走向和终点183

6．4．3 对数频率特性曲线的渐近线和转折频率186

6．4．4 最小相位系统和非最小相位系统189

6．5 奈奎斯特稳定判据191

6．5．1 幅角原理192

6．5．2 幅角原理的应用193

6．5．3 奈奎斯特稳定判据的应用194

6．5．4 基于对数频率特性的奈奎斯特稳定判据198

6．6 稳定裕度200

6．6．1 幅稳定裕度和相稳定裕度200

6．6．2 稳定裕度与时域性能指标的关系203

6．7 基于开环对数频率特性的系统性能分析205

6．7．1 低频段特性与系统稳态误差的关系205

6．7．2 中频段特性与系统瞬态性能的关系206

6．7．3 高频段特性与闭环频率特性的关系208

6．8 闭环频率特性与系统性能指标208

6．8．1 闭环频率特性的求取208

6．8．2 闭环频域指标与时域性能指标的关系213

6．9 利用MATLAB进行控制系统的频率特性分析214

6．9．1 绘制奈奎斯特图和伯德图214

6．9．2 分析控制系统的性能215

6．10 小结221

习题6221

第7章 线性控制系统的校正226

7．1 引言226

7．2 校正的基本概念227

7．2．1 校正的动机和期望性能指标227

7．2．2 校正方式227

7．2．3 校正装置的设计方法229

7．2．4 常用校正装置的特性229

7．2．5 校正装置的实现234

7．3 频率法设计串联校正236

7．3．1 超前校正的频率法设计236

7．3．2 滞后校正的频率法设计239

7．3．3 滞后-超前校正的频率法设计241

7．3．4 期望开环对数幅频特性设计法244

7．4 根轨迹法设计串联校正245

7．4．1 超前校正的根轨迹法设计245

7．4．2 滞后校正的根轨迹法设计248

7．4．3 滞后-超前校正的根轨迹法设计249

7．5 PID校正250

7．5．1 PID校正的频率法设计250

7．5．2 PID校正的参数整定法设计251

7．6 反馈校正253

7．6．1 反馈校正的设计思路253

7．6．2 反馈校正的设计方法254

7．7 利用MATLAB辅助控制系统的校正设计258

7．7．1 滞后-超前校正设计258

7．7．2 PID参数整定法校正设计264

7．8 小结265

习题7266

第8章 线性离散控制系统270

8．1 概述270

8．1．1 离散控制系统的基本概念270

8．1．2 离散控制系统的分析与校正设计方法272

8．2 信号采样与保持272

8．2．1 信号采样272

8．2．2 零阶保持器275

8．3 离散系统的数学模型276

8．3．1 Z变换276

8．3．2 Z反变换279

8．3．3 差分方程281

8．3．4 脉冲传递函数282

8．4 离散控制系统的稳定性287

8．4．1 离散系统稳定的充分必要条件287

8．4．2 稳定判据288

8．5 离散控制系统的动态性能分析293

8．5．1 S平面到Z平面的映射293

8．5．2 闭环极点与阶跃响应瞬态分量的关系294

8．6 离散控制系统的稳态误差分析297

8．6．1 采样时刻的稳态误差297

8．6．2 离散控制系统的无差度297

8．7 离散控制系统的最少拍校正299

8．7．1 最少拍系统的基本概念299

8．7．2 最少拍系统的设计300

8．8 利用MATLAB辅助离散控制系统的分析和校正301

8．8．1 性能分析301

8．8．2 校正设计306

8．9 小结313

习题8314

第9章 非线性控制系统317

9．1 概述317

9．1．1 非线性特性的类型317

9．1．2 非线性控制系统的稳定性及特性318

9．1．3 非线性控制系统的分析与综合319

9．2 相平面法320

9．2．1 相平面法的基本概念320

9．2．2 相平面图的绘制323

9．2．3 线性系统的相平面图分析325

9．2．4 非线性系统的相平面图分析326

9．2．5 非线性控制系统的分区线性化法329

9．2．6 利用非线性特性改进控制系统的动态性能334

9．3 描述函数法337

9．3．1 描述函数与谐波线性化337

9．3．2 典型非线性特性的描述函数339

9．3．3 非线性环节的串联与并联343

9．3．4 非线性控制系统的描述函数分析方法344

9．3．5 综合问题举例346

9．4 利用MATLAB分析非线性控制系统347

9．4．1 绘制非线性控制系统的相轨迹和相平面图347

9．4．2 判定稳定性及自持振荡352

9．5 小结354

习题9354

附录A359

参考文献362