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目录1

第1章自动控制的一般概念1

1.1开环控制与闭环控制2

1.1.1自动控制系统2

1.1.2开环控制3

1.1.3闭环（反馈）控制4

1.2控制系统举例5

1.2.1随动系统5

1.2.2恒值控制系统6

1.2.3数字控制系统7

1.2.4计算机控制系统7

1.3控制系统的组成与对控制系统的基本要求9

1.3.1控制系统的组成9

1.3.2对控制系统的基本要求10

1.4现代控制理论10

1.4.1最优控制10

小结11

1.4.2自适应控制11

1.4.3自学习控制11

习题12

第2章模型13

2.1模型的定义和分类13

2.1.1模型的定义13

2.1.2模型的分类13

2.1.3模型的构造14

2.2控制系统的数学模型14

2.3建立系统微分方程的一般方法15

2.4用拉氏变换解线性微分方程21

2.5传递函数24

2.5.1传递函数的概念及定义24

2.5.2关于传递函数的几点说明26

2.5.3典型环节的传递函数27

2.6.1动态结构图的概念33

2.6动态结构图33

2.6.2系统动态结构图的建立34

2.6.3结构图的基本形式36

2.6.4结构图的等效变换法则36

2.6.5结构图变换举例40

2.7自动控制系统的传递函数42

2.7.1系统开环传递函数43

2.7.2系统闭环传递函数43

2.7.3闭环系统的误差传递函数44

小结45

习题46

第3章 自动控制系统的时域分析49

3.1典型控制过程及性能指标49

3.1.1典型控制过程49

3.1.2典型时间响应51

3.1.3阶跃响应的性能指标52

3.1.4优化性能指标53

3.2一阶系统分析54

3.2.1一阶系统的数学模型54

3.2.2一阶系统的单位阶跃响应54

3.2.3一阶系统的单位脉冲响应56

3.2.4一阶系统的单位斜坡响应57

3.2.5三种响应之间的关系58

3.3二阶系统分析58

3.3.1二阶系统的数学模型58

3.3.2二阶系统的单位阶跃响应60

3.3.3二阶系统的单位脉冲响应67

3.3.4二阶系统的单位斜坡响应69

3.3.5改善二阶系统响应特性的措施70

3.4高阶系统分析72

3.4.1三阶系统的单位阶跃响应72

3.4.2高阶系统的单位阶跃响应73

3.4.4高阶系统的动态性能估算75

3.4.3闭环主导极点75

3.5应用计算机求取系统的响应78

3.5.1欧拉法79

3.5.2预报-校正法80

3.5.3龙格-库塔法80

3.6稳定性与代数判据82

3.6.1稳定的概念和定义82

3.6.2稳定性的代数判据86

3.6.3结构不稳定及其改进措施90

3.7稳态误差分析92

3.7.1误差及稳态误差的定义92

3.7.2稳态误差的计算93

3.7.3系统的类型和静态误差系数94

3.7.4改善系统稳态精度的方法98

小结100

习题100

4.1根轨迹的基本概念105

第4章根轨迹法105

4.2绘制根轨迹的基本条件和基本规则106

4.2.1绘制根轨迹的基本条件106

4.2.2绘制根轨迹的基本规则108

4.3特殊根轨迹116

4.3.1参数根轨迹116

4.3.2正反馈回路的根轨迹118

4.3.3滞后系统的根轨迹120

4.4系统闭环零极点分布与阶跃响应的关系123

4.4.1用闭环零极点表示的阶跃响应解析式123

4.4.2闭环零极点分布与阶跃响应的定性关系124

4.4.3主导极点与偶极子125

4.4.4利用主导极点估算系统的性能指标125

4.5开环零极点的变化对根轨迹的影响127

4.5.1开环零点的变化对根轨迹的影响127

4.5.2开环极点的变化对根轨迹的影响130

习题132

小结132

第5章频率法136

5.1频率特性136

5.1.1幅相频率特性139

5.1.2对数频率特性139

5.2基本环节的频率特性140

5.2.1比例环节140

5.2.2惯性环节141

5.2.3积分环节143

5.2.4振荡环节144

5.2.5微分环节146

5.2.6—阶不稳定环节147

5.2.7时滞环节148

5.3系统开环频率特性的绘制149

5.4用频率法分析控制系统的稳定性152

5.4.1开环频率特性与闭环特征方程的关系152

5.4.2奈奎斯特稳定判据153

5.4.3虚轴上有开环特征根时的奈奎斯特判据156

5.4.4用对数频率特性判断系统的稳定性157

5.4.5控制系统的相对稳定性159

5.5开环频率特性与系统动态性能的关系163

5.5.1低频段163

5.5.2中频段164

5.5.3高频段165

5.6系统的闭环频率特性165

5.6.1等M圆图166

5.6.2等N圆图168

5.6.3根据闭环频率特性分析系统的时域响应169

小结172

习题172

第6章控制系统的校正177

6.1控制系统校正的概念177

6.1.1受控对象177

6.1.2性能指标177

6.2串联校正178

6.1.3系统校正178

6.2.1超前校正179

6.2.2滞后校正180

6.2.3滞后-超前校正181

6.3反馈校正182

6.3.1利用反馈校正改变局部结构和参数183

6.3.2利用反馈校正取代局部结构184

6.4前置校正185

6.4.1稳定与精度186

6.4.2抗扰与跟踪188

6.5根轨迹法在系统校正中的应用188

6.5.1串联超前校正189

6.5.2串联滞后校正191

小结193

习题193

7.1采样系统197

第7章采样系统分析197

7.2采样过程与采样定理199

7.2.1采样过程199

7.2.2采样定理203

7.3信号保持203

7.4 Z变换理论206

7.4.1 Z变换定义206

7.4.2 Z变换方法206

7.4.3 Z变换性质209

7.4.4 Z反变换213

7.4.5用Z变换法求解差分方程216

7.5脉冲传递函数218

7.5.1脉冲传递函数定义218

7.5.2脉冲传递函数的物理意义219

7.5.3脉冲传递函数的求法220

7.5.4开环系统脉冲传递函数221

7.5.5闭环系统脉冲传递函数224

7.6.1稳定性分析226

7.6采样系统性能分析226

7.6.2稳态误差分析233

7.6.3动态性能分析236

7.6.4根轨迹法在采样系统中的应用239

7.6.5频率法在采样系统中的应用241

小结243

习题244

第8章非线性系统理论247

8.1非线性系统的一般概念247

8.1.1非线性系统的特点247

8.1.2典型的非线性特性248

8.2相平面法249

8.2.1相轨迹的作图方法250

8.2.2相轨迹的基本特点254

8.2.3线性系统的相轨迹255

8.3.1由相平面图求时间257

8.3相平面图的分析257

8.3.2极限环258

8.3.3非线性系统的相平面分析259

8.4描述函数法264

8.4.1描述函数的概念264

8.4.2典型非线性元件的描述函数265

8.5非线性系统的描述函数法分析269

8.5.1非线性系统稳定性分析270

8.5.2非线性系统自振荡分析271

8.5.3非线性系统的结构简化273

小结276

习题276

第9章控制系统的状态空间分析与设计279

9.1控制系统的状态空间描述279

9.1.1系统状态空间描述常用的基本概念279

9.1.2线性定常连续系统状态空间表达式的建立282

9.1.3状态空间模型和I/O模型之间的等价变换284

9.1.4线性定常连续系统状态方程的解292

9.2控制系统的可控性与可观测性297

9.2.1系统可控性298

9.2.2系统可观测性307

9.2.3对偶原理311

9.3线性定常系统的线性变换313

9.3.1线性变换313

9.3.2化系数矩阵A为对角阵或约当阵314

9.3.3化系统｛A,B｝为可控标准型315

9.3.4化系统｛A,C｝为可观测标准型317

9.3.5系统的规范分解320

9.4控制系统的状态空间设计326

9.4.1线性定常系统常用反馈结构及其对系统特性的影响327

9.4.2状态反馈的极点配置设计法329

9.4.3状态观测器设计及分离特性333

小结346

习题347

10.1最优控制问题352

第10章最优控制352

10.1.1被控对象的数学模型353

10.1.2边界条件与目标集353

10.1.3容许控制集合353

10.1.4性能指标354

10.1.5最优控制的研究方法355

10.2最优控制中的变分法355

10.2.1泛函与变分355

10.2.2欧拉方程359

10.2.3横截条件361

10.3对控制变量无约束的最优控制问题363

10.3.1末端时刻tf固定时的最优控制问题364

10.3.2末端时刻tf自由时的最优控制问题367

10.4极小值原理370

10.4.1古典变分法的缺陷370

10.4.2极小值原理371

10.5时间最优控制374

10.5.1线性系统的时间最优控制375

10.5.2线性系统时间最优控制问题解的必要条件376

10.5.3双积分装置的时间最优控制系统378

10.6二次型性能指标的最优控制问题381

10.6.1状态调节器问题382

10.6.2定常状态调节器问题386

10.6.3输出调节器问题387

10.7.1最优性原理389

10.7动态规划389

10.7.2离散时间线性二次型问题393

10.7.3连续动态规划与哈密顿-雅可比方程394

小结396

习题397

第11章系统辨识与自适应控制400

11.1随机系统的数学描述400

11.1.1输入输出模型400

11.2.1系统数学模型的建立402

11.1.2状态空间模型402

11.2系统辨识概念与基本方法402

11.2.2系统辨识的实验设计403

11.2.3系统辨识的方法404

11.2.4系统辨识的最小二乘法404

11.2.5最小二乘估计的递推算法409

11.2.6时变系统的最小二乘估计411

11.2.7有色噪声情况下的最小二乘法411

11.2.8辨识的其他问题412

11.3 自适应控制概念与基本方法415

11.3.1 自适应控制概述415

11.3.2模型参考自适应控制416

11.3.3自校正控制系统420

小结430

习题430

部分习题参考答案432

参考文献439