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第1章 绪论1

1.1 引言1

1.1.1 自动控制技术及应用1

1.1.2 自动控制理论的发展2

1.2 自动控制技术中的基本控制方式3

1.2.1 开环控制3

1.2.2 闭环控制4

1.2.3 其他控制方式7

1.3 自动控制系统的组成8

1.3.1 自动控制系统基本职能元件8

1.3.2 自动控制的基本术语10

1.3.3 方框图的建立11

1.4 自动控制系统的分类11

1.5 自动控制系统的基本要求13

1.6 本课程的性质和任务14

1.7 本章习题15

第2章 控制系统的数学模型16

2.1 微分方程16

2.1.1 系统微分方程的建立16

2.1.2 建立微分方程的步骤20

2.2 Laplace变换基础20

2.2.1 拉氏变换的概念20

2.2.2 常用函数的拉氏变换21

2.2.3 拉氏变换的基本定理21

2.3 传递函数22

2.3.1 传递函数的定义22

2.3.2 传递函数的性质23

2.4 典型环节及传递函数24

2.4.1 比例环节24

2.4.2 积分环节25

2.4.3 惯性环节25

2.4.4 理想微分环节26

2.4.5 比例微分环节27

2.4.6 振荡环节27

2.4.7 延迟环节28

2.5 动态结构图29

2.5.1 结构图的组成29

2.5.2 动态结构图的建立30

2.6 动态结构图的等效变换31

2.6.1 动态结构图的等效变换法则31

2.6.2 动态结构图的等效变换举例33

2.7 自动控制系统的传递函数35

2.7.1 闭环控制系统的开环传递函数35

2.7.2 闭环传递函数36

2.8 本章要点36

2.9 本章习题37

第3章 时域分析法40

3.1 典型输入信号40

3.1.1 阶跃函数40

3.1.2 斜坡函数41

3.1.3 抛物线函数41

3.1.4 脉冲函数42

3.1.5 正弦函数42

3.2 阶跃响应的性能指标42

3.3 一阶系统的时域分析44

3.3.1 一阶系统的数学模型44

3.3.2 一阶系统的单位阶跃响应45

3.3.3 一阶系统的单位斜坡响应45

3.3.4 一阶系统的单位脉冲响应46

3.4 二阶系统的时域分析47

3.4.1 二阶系统的数学模型47

3.4.2 二阶系统的工作状态47

3.4.3 欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应48

3.4.4 临界阻尼二阶系统的单位阶跃响应49

3.4.5 典型二阶系统的性能指标49

3.5 线性定常系统的稳定性51

3.5.1 稳定性定义51

3.5.2 稳定的条件51

3.5.3 稳定的判断依据53

3.6 稳态误差计算57

3.6.1 误差和稳态误差57

3.6.2 稳态误差的计算57

3.6.3 系统的类型59

3.7 本章要点61

3.8 本章习题61

第4章 根轨迹分析法64

4.1 根轨迹与根轨迹方程64

4.1.1 根轨迹的基本概念64

4.1.2 根轨迹方程65

4.2 绘制根轨迹的基本条件65

4.3 绘制根轨迹的规则和方法67

4.4 控制系统根轨迹的性能分析81

4.4.1 开环零、极点对根轨迹的影响81

4.4.2 闭环零、极点与阶跃响应关系82

4.4.3 利用根轨迹确定系统参数83

4.4.4 利用根轨迹分析系统的动态性能86

4.5 应用MATLAB绘制根轨迹举例88

4.6 本章要点90

4.7 本章习题91

第5章 频域分析法95

5.1 频率特性基本概念95

5.1.1 频率特性的概念95

5.1.2 频率特性的表示方法98

5.2 典型环节频率特性101

5.2.1 比例环节101

5.2.2 积分环节102

5.2.3 微分环节103

5.2.4 惯性环节104

5.2.5 一阶微分环节106

5.2.6 振荡环节107

5.2.7 二阶微分环节109

5.3 系统的开环频率特性绘制110

5.3.1 开环幅相曲线绘制110

5.3.2 开环对数频率特性曲线绘制117

5.3.3 最小相位系统121

5.4 奈奎斯特稳定判断依据及稳定裕量122

5.4.1 开环频率特性和闭环特征式的关系122

5.4.2 奈奎斯特稳定判断依据122

5.4.3 对数判断依据126

5.4.4 系统稳定裕量129

5.5 用开环频率特性分析系统的性能130

5.5.1 系统开环对数频率特性与闭环稳定性的关系130

5.5.2 系统开环对数频率特性与闭环稳态误差的关系131

5.5.3 开环对数频率特性与系统时域性能之间的关系134

5.6 本章要点141

5.7 本章习题141

第6章 自动控制系统的综合与校正146

6.1 控制系统综合与校正概述146

6.1.1 控制系统校正的概念146

6.1.2 控制系统的校正方法146

6.1.3 控制系统的性能指标147

6.1.4 控制系统的校正方式147

6.2 串联校正148

6.2.1 串联超前校正（PD校正）148

6.2.2 串联滞后校正（PI校正）151

6.2.3 串联滞后—超前校正（PID校正）154

6.3 反馈校正156

6.3.1 常用反馈校正方法156

6.3.2 负反馈校正设计158

6.4 MATLAB在系统校正中的应用161

6.5 本章要点163

6.6 本章习题164

第7章 离散控制系统165

7.1 离散控制系统基本概念165

7.1.1 采样控制系统165

7.1.2 数字控制系统165

7.2 信号的采样与复现166

7.2.1 香侬采样定理166

7.2.2 零阶保持器的原理171

7.3 离散控制系统的数学模型173

7.3.1 差分方程173

7.3.2 z变换与反z变换174

7.3.3 脉冲传递函数的定义179

7.3.4 开环系统的脉冲传递函数179

7.3.5 闭环系统的脉冲传递函数182

7.4 离散系统的性能分析187

7.4.1 离散系统的稳定性分析187

7.4.2 离散系统稳定性的代数判断依据190

7.4.3 离散系统的稳态误差195

7.4.4 离散系统的动态性能198

7.5 应用MATLAB进行离散系统分析205

7.6 本章要点208

7.7 本章习题209

第8章 状态空间分析法212

8.1 状态空间法的基本概念212

8.1.1 状态与状态变量212

8.1.2 状态向量与状态空间213

8.2 状态空间描述214

8.2.1 状态变量的选取214

8.2.2 线性系统的状态空间描述215

8.3 能控性和能观测性216

8.3.1 线性系统的能控性217

8.3.2 线性系统的能控性判断依据217

8.3.3 线性系统的能观测性218

8.3.4 线性系统的能观测性判断依据218

8.4 本章习题219

第9章 基于MATLAB的控制系统分析220

9.1 MATLAB概述220

9.1.1 MATLAB家族220

9.1.2 MATLAB发展及特点223

9.1.3 MATLAB7.0界面环境224

9.2 MATLAB基本语法和基本操作226

9.2.1 变量赋值226

9.2.2 矩阵运算227

9.2.3 程序控制语句229

9.2.4 基本绘图方法232

9.3 Simulink简介234

9.3.1 Simulink家族234

9.3.2 Simulink基本模块库236

9.3.3 Simulink建模仿真的一般过程238

9.4 基于MATLAB的控制系统时域分析239

9.4.1 阶跃响应分析239

9.4.2 冲激响应分析241

9.4.3 任意输入的时域响应分析241

9.5 基于MATLAB的控制系统根轨迹分析242

9.6 本章要点243

9.7 本章习题243

参考文献244