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第1章 自动控制的一般概念1

1.1 引言1

1.2 自动控制的基本原理1

1.2.1 自动控制问题的引出1

1.2.2 控制方式4

1.3 自动控制系统的基本组成8

1.4 自动控制系统示例9

1.4.1 函数记录仪9

1.4.2 磁盘驱动读取系统10

1.4.3 导弹发射架的方位控制11

1.4.4 机器人12

1.5 自动控制系统的分类12

1.5.1 按给定输入信号特征分类12

1.5.2 按系统的数学特性分类13

1.5.3 其他类型的分类14

1.6 对自动控制系统的基本要求14

1.7 控制分析与MATLAB15

1.7.1 控制系统工具箱（Control System Toolbox）16

1.7.2 MATLAB辅助分析与设计16

1.8 自动控制理论的发展概况16

1.8.1 早期的自动控制16

1.8.2 经典控制理论17

1.8.3 现代控制理论18

1.9 小结18

习题19

第2章 控制系统的数学模型22

2.1 引言22

2.2 控制系统的时域数学模型22

2.2.1 线性元件的微分方程建立22

2.2.2 控制系统微分方程的建立与求解27

2.2.3 线性系统的基本特性29

2.2.4 非线性微分方程的线性化29

2.3 线性系统的传递函数31

2.3.1 传递函数的定义和性质31

2.3.2 典型元部件的传递函数34

2.4 系统结构图及其等效变换39

2.4.1 结构图的组成与绘制39

2.4.2 结构图的等效变换41

2.5 信号流图及梅逊公式47

2.5.1 信号流图的组成及性质47

2.5.2 信号流图的绘制48

2.5.3 梅逊增益公式50

2.6 闭环系统的传递函数52

2.6.1 输入信号作用下的闭环传递函数52

2.6.2 扰动作用下的闭环传递函数52

2.6.3 闭环系统的误差传递函数53

2.7 控制系统建模的MATLAB方法53

2.7.1 控制系统模型描述53

2.7.2 模型转换53

2.7.3 系统连接54

2.8 数学模型的实验测定法54

2.9 小结56

习题56

第3章 线性系统的时域分析61

3.1 反馈控制系统的特性及基本分析61

3.1.1 开环和闭环控制61

3.1.2 控制系统的瞬态响应62

3.1.3 反馈控制系统的干扰信号63

3.1.4 稳态误差66

3.1.5 反馈的代价67

3.2 控制系统时间响应的性能指标67

3.2.1 典型输入信号68

3.2.2 控制系统的时间响应过程69

3.2.3 控制系统的时域性能指标69

3.3 一阶系统的时域分析70

3.3.1 一阶系统的数学模型71

3.3.2 一阶系统的单位阶跃响应71

3.3.3 一阶系统的单位脉冲响应72

3.3.4 一阶系统的单位斜坡响应72

3.4 二阶系统的时域分析73

3.4.1 二阶系统的数学模型73

3.4.2 二阶系统的单位阶跃响应75

3.4.3 二阶系统动态性能指标计算77

3.4.4 改善二阶系统性能的常用方法82

3.5 高阶系统的时域分析87

3.5.1 高阶系统的阶跃响应87

3.5.2 高阶系统的闭环主导极点和动态性能分析90

3.6 线性系统的稳定性91

3.6.1 稳定的概念91

3.6.2 线性系统稳定的充要条件92

3.6.3 线性系统稳定的代数判据93

3.7 线性系统的稳态误差98

3.7.1 误差与稳态误差99

3.7.2 给定信号作用下的稳态误差计算100

3.7.3 扰动作用下的稳态误差计算103

3.7.4 提高系统控制精度的措施105

3.8 基本控制律分析108

3.8.1 比例（P）控制律109

3.8.2 比例-微分（PD）控制律109

3.8.3 积分（I）控制律109

3.8.4 比例-积分（PI）控制律110

3.8.5 比例-积分-微分（PID）控制律110

3.9 线性系统时域分析的MATLAB方法112

3.9.1 稳定性分析113

3.9.2 动态性能和稳态性能分析113

3.1 0小结113

习题114

第4章 线性系统的根轨迹法120

4.1 控制系统的根轨迹120

4.1.1 根轨迹的基本概念120

4.1.2 闭环零极点与开环零极点的关系122

4.1.3 根轨迹方程123

4.2 根轨迹的绘制法则124

4.3 其他形式的根轨迹134

4.3.1 参数根轨迹134

4.3.2 零度根轨迹135

4.4 基于MATLAB的根轨迹图绘制138

4.4.1 rlocus138

4.4.2 rlocfind138

4.5 根轨迹法分析139

4.5.1 闭环零点、极点与时间响应139

4.5.2 系统性能的定性分析140

4.6 小结145

习题145

第5章 线性系统的频域分析法148

5.1 频率特性148

5.1.1 频率特性的基本概念148

5.1.2 频率特性的图形表示方法150

5.2 典型环节的伯德图152

5.2.1 比例环节152

5.2.2 积分环节和微分环节153

5.2.3 惯性环节和一阶微分环节154

5.2.4 振荡环节156

5.2.5 二阶微分环节157

5.2.6 延迟环节158

5.3 开环系统的伯德图158

5.3.1 开环伯德图的绘制158

5.3.2 最小相位系统161

5.4 典型环节的极坐标图及开环系统极坐标图绘制162

5.4.1 典型环节的极坐标图162

5.4.2 开环极坐标图及近似绘制165

5.5 频域稳定性判据168

5.5.1 辅助函数F（s）168

5.5.2 幅角原理169

5.5.3 奈奎斯特稳定性判据170

5.5.4 伯德图上的稳定性判据173

5.6 稳定裕度174

5.6.1 相位裕度175

5.6.2 幅值裕度175

5.7 闭环频率特性177

5.7.1 基本关系177

5.7.2 矢量表示法177

5.7.3 闭环频率特性177

5.8 基于MATLAB的频率特性图绘制178

5.8.1 伯德（Bode）图178

5.8.2 奈奎斯特曲线178

5.9 频率特性分析179

5.9.1 三频段的概念180

5.9.2 开环频域指标与时域指标的关系181

5.9.3 闭环频域指标与时域指标的关系182

5.1 0小结184

习题185

第6章 控制系统的综合与校正188

6.1 控制系统校正的基本概念188

6.1.1 性能指标189

6.1.2 校正方式189

6.1.3 校正的设计方法191

6.2 常用校正装置及其特性192

6.2.1 串联超前校正网络192

6.2.2 串联滞后校正网络194

6.2.3 串联滞后-超前校正网络196

6.3 串联校正的频域法设计197

6.3.1 串联超前校正设计197

6.3.2 串联滞后校正设计202

6.3.3 串联滞后-超前校正设计207

6.4 反馈校正与复合校正210

6.4.1 反馈校正的原理与特点210

6.4.2 复合校正212

6.5 PID控制器的参数整定216

6.5.1 衰减曲线法217

6.5.2 稳定边界法（Ultimate Sensitivity Method）217

6.6 小结218

习题219

第7章 非线性系统223

7.1 控制系统的非线性特性223

7.1.1 典型的非线性特性223

7.1.2 非线性系统的若干特征225

7.1.3 非线性控制系统的分析方法226

7.2 描述函数法227

7.2.1 描述函数定义227

7.2.2 典型非线性特性的描述函数228

7.2.3 非线性系统描述函数法分析231

7.3 相平面法235

7.3.1 相平面法的基本概念235

7.3.2 相平面图的绘制236

7.3.3 相轨迹的基本特性236

7.3.4 非线性系统的相平面法分析239

7.4 非线性系统分析的MATLAB方法242

7.4.1 微分方程高阶数值解法242

7.4.2 综合运用：非线性系统的稳定性分析242

7.5 小结244

习题244

第8章 离散控制系统246

8.1 离散控制系统基本概念246

8.1.1 采样控制系统246

8.1.2 数字控制系统247

8.1.3 离散控制系统的特点247

8.2 信号采样和复现248

8.2.1 信号采样248

8.2.2 采样信号频谱分析248

8.2.3 采样定理250

8.2.4 信号复现250

8.3 Z变换及反变换252

8.3.1 Z变换定义252

8.3.2 Z变换的求法252

8.3.3 Z变换的性质254

8.3.4 Z反变换255

8.4 离散系统的数学模型256

8.4.1 差分方程256

8.4.2 脉冲传递函数258

8.5 离散控制系统性能分析265

8.5.1 离散控制系统的稳定性265

8.5.2 离散控制系统的稳态误差270

8.5.3 离散系统动态性能273

8.6 线性离散系统分析的MATLAB方法275

8.6.1 连续系统的离散化275

8.6.2 离散系统时域分析275

8.6.3 综合运用275

8.7 小结277

习题277

附录A 拉氏变换与反变换280

附录B MATLAB常用命令索引292

参考文献294