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1.1 控制理论发展综述1

第一章 概论1

1.2 自动控制系统的结构2

1.2.1 开环控制系统3

1.2.2 闭环控制系统3

1.3 反馈控制系统的组成和术语6

1.4 自动控制系统分类7

1.4.3 连续控制系统和离散控制系统8

1.5 对控制系统的性能要求和本课程的任务8

1.5.1 对控制系统性能的要求8

1.4.2 恒值控制系统和随动系统8

1.4.1 线性控制系统和非线性控制系统8

1.5.2 本课程的基本内容和要求9

习题10

第二章 控制系统的数学模型12

2.1 拉普拉斯变换12

2.1.1 拉普拉斯变换的定义和存在定理12

2.1.2 几种典型函数的拉氏变换13

2.1.3 拉普拉斯变换的性质16

2.1.4 有理分式函数的拉普拉斯反变换18

2.1.5 用拉普拉斯变换求解微分方程21

2.2 系统输入-输出的传递函数描述22

2.3 典型环节传递函数的数学模型26

2.3.3 积分和微分环节27

2.3.2 一阶环节27

2.3.1 比例环节27

2.3.4 二阶环节28

2.3.5 时滞环节28

2.4 用方块图表示的模型28

2.5 信号流程图与梅逊公式33

2.6 状态空间模型简介40

2.6.1 状态、状态变量及状态空间方程40

2.6.2 线性定常控制系统的状态方程描述42

2.6.3 线性定常系统状态空间表达式的结构图和信号流程图43

2.6.4 传递函数与状态空间方程之间关系44

2.7 数学模型的MATLAB描述44

2.7.1 连续系统数学模型的MATLAB表示45

2.7.2 离散系统数学模型的MATLAB表示48

2.7.3 控制系统的建模48

2.7.4 Simulink建模方法——复杂系统的模型处理方法50

小结52

习题53

第三章 控制系统的时域分析法55

3.1 线性系统的稳定性55

3.1.1 稳定性的基本概念55

3.1.2 线性系统的稳定性56

3.1.3 线性系统稳定的充分必要条件56

3.1.4 劳斯-赫尔维茨（Routh-Hurwitz）稳定判据56

3.2 线性系统稳定性的MATLAB判定方法65

3.3.1 典型输入信号67

3.3 控制系统的静态误差67

3.3.2 静态误差和误差传递函数68

3.3.3 静态误差系数68

3.3.4 动态误差70

3.4 控制系统的暂态响应性能指标72

3.5 一阶系统暂态响应74

3.5.1 一阶系统的单位阶跃响应74

3.5.2 一阶系统的单位脉冲响应75

3.5.3 线性定常系统的重要特性75

3.6 二阶系统的暂态响应76

3.6.1 二阶系统的单位阶跃响应79

3.6.2 二阶系统的暂态响应指标81

3.6.3 二阶系统的脉冲响应84

3.7 高阶系统的暂态响应86

3.8 用MATLAB进行暂态响应分析87

3.8.1 线性系统的MATLAB表示87

3.8.2 传递函数系统单位阶跃响应的求法88

3.8.3 脉冲响应89

3.8.4 求脉冲响应的另一种方法89

3.8.5 斜坡响应90

3.8.6 系统时域响应的直接求取92

小结93

习题94

第四章 根轨迹法97

4.1 根轨迹图98

4.2.1 开环传递函数的两种表达式99

4.2 绘制根轨迹的数学依据及其性质99

4.2.3 绘制根轨迹的数学依据100

4.2.2 闭环特征方程的几种表达形式100

4.3 绘制根轨迹的一般规则102

4.3.1 绘制根轨迹规则的阐述102

4.3.2 绘制根轨迹规则的列表106

4.4 例题107

4.5 参数根轨迹和多回路系统的根轨迹115

4.5.1 参数根轨迹115

4.5.2 多回路系统的根轨迹116

4.6 正反馈回路和非最小相位系统根轨迹118

4.6.1 正反馈回路根轨迹118

4.6.2 非最小相位系统之根轨迹119

习题121

小结121

第五章 频率响应法124

5.1 频率特性124

5.1.1 由传递函数求系统的频率响应124

5.1.2 由实验方法求频率特性126

5.1.3 频率特性的基本概念127

5.2 极坐标图129

5.2.1 典型环节的奈奎斯特曲线129

5.2.2 开环系统的奈奎斯特图134

5.3 对数坐标图138

5.3.1 典型环节的伯德图139

5.3.2 开环系统的伯德图146

5.3.3 最小相位系统与非最小相位系统148

5.3.4 系统开环对数幅频特性与闭环稳态误差的关系150

5.4 奈奎斯特稳定判据153

5.4.1 辐角原理153

5.4.2 奈奎斯特稳定判据155

5.4.3 奈奎斯特稳定性判据的进一步说明157

5.4.4 奈奎斯特稳定判据在对数坐标图上的应用162

5.5 相对稳定性分析164

5.5.1 用奈奎斯特图表示相位裕量和幅值裕量164

5.5.2 用伯德图表示相位裕量和幅值裕量165

5.5.3 对数幅频特性中频段与系统动态性能的关系168

5.6.1 开环频率特性中相位裕量与时域性能指标的关系171

5.6 频域性能指标与时域性能指标间的关系171

5.6.2 闭环频率特性及其特征量173

5.6.3 闭环频域特性与时域响应性能指标的关系175

小结177

习题178

第六章 自动控制系统的设计183

6.1 控制系统设计的基本思路183

6.2 串联校正装置的结构与特性185

6.2.1 超前校正185

6.2.2 滞后校正188

6.2.3 滞后-超前校正190

6.3 基于频率法的串联校正设计192

6.3.1 超前校正192

6.3.2 滞后校正195

6.3.3 滞后-超前校正197

6.3.4 基于频率法的MATLAB串联校正设计199

6.4 基于根轨迹的串联校正设计202

6.4.1 超前校正202

6.4.2 滞后校正210

6.4.3 滞后-超前校正213

6.4.4 基于根轨迹的串联校正MATLAB设计215

6.5 PID校正218

6.5.1 PID控制器工作原理219

6.5.2 Zieloger-Niclosls整定公式224

6.6 控制器的极点配置方法230

小结233

习题234

第七章 离散系统分析237

7.1 离散系统引论237

7.2 连续信号的采样与复现238

7.2.1 采样过程及其数学描述238

7.2.2 保持器239

7.2.3 采样定理240

7.3 z变换241

7.3.1 z变换的定义241

7.3.2 z变换性质242

7.3.3 z变换方法243

7.4 z反变换245

7.5.1 脉冲传递函数的基本概念247

7.5 脉冲传递函数247

7.5.2 串联环节的开环脉冲传递函数249

7.5.3 闭环系统的脉冲传递函数251

7.6 求离散系统的时域响应254

7.7 离散系统的稳定性分析255

7.7.1 离散系统稳定条件255

7.7.2 离散系统的劳斯稳定判据257

7.8 离散系统的频率特性分析259

7.9 采样系统的稳态误差分析261

7.10 采样控制系统的综合263

7.10.1 采用连续系统的相似校正方法263

7.10.2 串联数字校正装置的校正方法264

7.10.3 最少拍采样控制系统的校正266

小结267

习题268

第八章 非线性系统分析270

8.1 非线性系统概述270

8.1.1 非线性系统数学模型270

8.1.2 非线性系统与线性系统的比较270

8.1.3 非线性系统研究方法271

8.1.4 典型非线性环节的输入、输出特性272

8.2 小范围线性近似法274

8.3 相平面的概念及相轨迹作图方法277

8.3.1 相平面基本概念277

8.3.2 相轨迹作图方法281

8.4 非线性控制系统相平面分析291

8.5 非线性环节的描述函数298

8.5.1 描述函数的基本概念298

8.5.2 典型非线性环节的描述函数300

8.6 非线性控制系统的描述函数分析304

8.6.1 非线性系统的稳定性判据304

8.6.2 自持振荡幅值与频率的确定306

8.6.3 含典型非线性环节的控制系统分析306

小结309

习题310

第九章 MATLAB语言简介314

9.1 系统仿真314

9.3.1 基本操作及命令315

9.3 MATLAB的应用基础315

9.2 MATLAB集成环境的组成315

9.3.2 MATLAB函数317

9.3.3 绘制响应曲线318

9.3.4 MATLAB语言的联机帮助功能320

9.4 经典控制系统分析及设计321

9.4.1 控制系统模型321

9.4.2 时域分析324

9.4.3 根轨迹法325

9.4.4 频域分析325

9.4.5 离散系统中常用的MATLAB函数326

9.5 控制系统分析中常用的MATLAB命令和函数327

9.6 MATLAB其他相关工具330

参考文献333