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第1章 概论1

1.1 控制工程概述1

1.2 自动控制系统的基本概念2

1.2.1 控制系统的工作原理2

1.2.2 反馈控制系统的组成5

1.3 控制系统的分类6

1.3.1 按反馈情况分类6

1.3.2 按输入信号变化规律分类7

1.3.3 按系统的数学描述分类8

1.3.4 按系统内部的信号特征分类8

1.4 对控制系统的基本要求9

1.4.1 稳定性9

1.4.2 快速性9

1.4.3 精确性10

习题10

第2章 控制系统的微分方程12

2.1 建立微分方程的一般步骤12

2.2 一阶系统的微分方程13

2.2.1 比例控制系统的微分方程13

2.2.2 积分控制系统的微分方程14

2.2.3 微分控制系统的微分方程15

2.2.4 一阶惯性控制系统的微分方程16

2.3 二阶系统的微分方程17

2.4 高阶系统的微分方程18

2.5 应用MATLAB求解微分方程20

2.6 非线性微分方程的线性化24

习题27

第3章 拉普拉斯变换30

3.1 复变函数基础30

3.1.1 复平面30

3.1.2 复变函数31

3.2 拉普拉斯变换的定义31

3.3 几种典型函数的拉普拉斯变换32

3.3.1 指数函数32

3.3.2 阶跃函数32

3.3.3 斜坡函数33

3.3.4 正弦函数33

3.3.5 幂函数34

3.3.6 脉冲函数35

3.4 拉普拉斯变换的基本性质和定理35

3.4.1 线性性质36

3.4.2 时域微分定理36

3.4.3 时域积分定理37

3.4.4 时域延时定理38

3.4.5 时域衰减定理38

3.4.6 时域尺度变换定理39

3.4.7 时域初值定理40

3.4.8 时域终值定理40

3.4.9 时域卷积定理41

3.4.10 复微分定理42

3.5 拉普拉斯反变换43

3.5.1 拉普拉斯反变换的定义和计算公式43

3.5.2 拉普拉斯反变换的部分分式展开法43

3.6 应用拉普拉斯变换求解微分方程50

3.7 应用MATLAB进行部分分式展开52

习题54

第4章 传递函数56

4.1 传递函数的定义和性质56

4.1.1 传递函数的定义56

4.1.2 传递函数的性质56

4.2 传递函数的特征方程、零点和极点57

4.2.1 特征方程、零点和极点57

4.2.2 极点和零点对输出的影响58

4.3 典型环节及其传递函数58

4.4 系统方框图及其简化66

4.4.1 系统方框图66

4.4.2 系统方框图的简化73

4.4.3 系统信号流图和梅森公式81

4.4.4 考虑干扰的控制系统的传递函数86

4.5 控制系统传递函数推导实例88

4.5.1 机械系统88

4.5.2 液压系统92

4.5.3 有源电路网络94

4.6 应用MATLAB表示与化简传递函数95

4.6.1 传递函数的多项式表示95

4.6.2 传递函数的零、极点表示96

4.6.3 连续系统的模型转换96

4.6.4 结构图化简97

习题99

第5章 控制系统的时间响应106

5.1 时间响应的基本概念106

5.2 一阶系统的时间响应107

5.2.1 一阶系统的数学模型107

5.2.2 一阶系统的单位阶跃响应108

5.2.3 一阶系统的单位脉冲响应109

5.2.4 一阶系统的单位速度响应110

5.2.5 一阶系统的单位加速度响应111

5.2.6 线性定常系统时间响应的性质112

5.3 二阶系统的时间响应114

5.3.1 二阶系统的数学模型114

5.3.2 二阶系统的单位阶跃响应117

5.3.3 二阶系统的单位脉冲响应122

5.3.4 二阶系统的单位速度响应124

5.4 高阶系统的时间响应127

5.4.1 高阶系统的单位阶跃响应127

5.4.2 主导极点和偶极子130

5.5 控制系统的动态性能分析131

5.5.1 控制系统时域动态性能指标的定义131

5.5.2 二阶系统时域动态性能指标的计算132

5.6 控制系统的稳态性能分析136

5.6.1 稳态误差的基本概念137

5.6.2 稳态误差的计算138

5.6.3 稳态误差系数139

5.6.4 扰动引起的稳态误差144

习题146

第6章 控制系统的频率特性148

6.1 频率特性的基本概念148

6.1.1 引例148

6.1.2 频率特性的定义150

6.1.3 频率特性的性质155

6.1.4 频率特性的表示方法156

6.2 频率特性的极坐标图159

6.2.1 极坐标图概述159

6.2.2 典型环节的极坐标图160

6.2.3 一般系统的极坐标图177

6.2.4 极点和零点对极坐标图的影响183

6.3 频率特性的对数坐标图188

6.3.1 对数坐标图概述188

6.3.2 典型环节的对数坐标图191

6.3.3 一般系统的对数坐标图209

6.4 最小相位系统213

6.4.1 最小相位系统和非最小相位系统的定义213

6.4.2 最小相位系统和非最小相位系统的极点限制条件214

6.4.3 最小相位系统的特点216

6.5 传递函数的实验确定方法217

6.5.1 频率特性的实验测量方法217

6.5.2 根据频率特性确定传递函数的步骤218

6.6 闭环系统的开环频率特性220

6.6.1 开环传递函数与开环频率特性的定义220

6.6.2 根据开环频率特性近似分析闭环频率特性222

习题224

第7章 线性系统的稳定性分析228

7.1 稳定性的定义和条件228

7.2 劳思稳定性判据230

7.2.1 系统稳定的必要条件230

7.2.2 系统稳定的充分条件230

7.2.3 低阶系统的劳思稳定判据231

7.2.4 两种特殊情况处理232

7.2.5 劳思判据应用于反馈系统234

7.3 奈奎斯特稳定性判据235

7.3.1 幅角定理235

7.3.2 奈奎斯特稳定性分析237

7.3.3 由博德图判断系统的稳定性243

7.4 控制系统的相对稳定性245

7.4.1 采用劳思判据估计系统的相对稳定性245

7.4.2 采用奈奎斯特判据度量系统的相对稳定性246

7.5 利用MATLAB分析系统稳定性250

7.5.1 在时域分析系统的稳定性250

7.5.2 在频域分析系统的稳定性251

习题255

第8章 根轨迹法260

8.1 根轨迹与根轨迹方程260

8.1.1 根轨迹260

8.1.2 根轨迹方程及根轨迹满足的相角、幅值条件261

8.2 绘制常规根轨迹的基本法则263

8.3 利用MATLAB绘制根轨迹图267

8.4 根轨迹与系统稳定性270

8.4.1 增加开环零、极点对系统稳定性的影响270

8.4.2 开环零、极点抵消对系统稳定性的影响273

8.5 系统闭环零、极点的分布与性能指标278

8.5.1 闭环零极点分布与阶跃响应的定性关系278

8.5.2 利用主导极点估算系统性能指标280

8.6 其他参量根轨迹图的绘制285

习题286

第9章 控制系统的设计和校正289

9.1 概述289

9.1.1 系统的性能指标289

9.1.2 连续系统带宽的确定290

9.1.3 校正方式290

9.2 PID控制规律及其实现292

9.2.1 比例（P）控制规律292

9.2.2 比例-微分（PD）控制规律293

9.2.3 积分（I）控制规律297

9.2.4 比例-积分（PI）控制规律297

9.2.5 比例-积分-微分（PID）控制规律300

9.2.6 串联校正的特性比较305

9.3 用频率法进行串联校正306

9.3.1 概述306

9.3.2 系统期望开环对数频率特性307

9.3.3 PD或超前校正网络参数的确定313

9.4 反馈校正321

9.4.1 利用反馈校正改变局部结构和参数321

9.4.2 利用反馈校正取代局部结构323

9.5 复合校正323

9.5.1 按输入补偿（顺馈控制）323

9.5.2 按干扰补偿（前馈控制）325

9.6 工程中确定PID参数的齐格勒-尼柯尔斯法326

9.6.1 齐格勒-尼柯尔斯第一法327

9.6.2 齐格勒-尼柯尔斯第二法（连续振荡法）327

9.6.3 1/4衰减法328

9.7 MATLAB在系统综合校正中的应用328

习题330

第10章 计算机控制技术334

10.1 计算机控制系统概述334

10.1.1 计算机控制系统的组成334

10.1.2 计算机控制系统特点335

10.1.3 计算机控制系统优点与问题335

10.2 采样与保持336

10.2.1 计算机控制系统中信号的处理及传递过程336

10.2.2 采样337

10.2.3 保持器340

10.3 Z变换342

10.3.1 Z变换的定义342

10.3.2 求Z变换的方法343

10.3.3 Z变换的基本定理347

10.3.4 Z反变换351

10.4 离散控制系统的数学模型354

10.4.1 线性定常差分方程及其求解方法354

10.4.2 脉冲传递函数357

10.5 离散系统的稳定性及稳态误差366

10.5.1 离散系统的稳定性分析367

10.5.2 离散系统的稳态误差373

10.6 离散系统的动态性能分析375

10.6.1 离散系统的时间响应376

10.6.2 闭环极点与动态响应的关系377

10.7 离散系统的设计380

10.7.1 离散系统的模拟化设计380

10.7.2 数字PID控制器385

10.7.3 离散系统的数字校正391

习题395

附录 拉普拉斯变换表398

习题参考答案402

参考文献421