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第1章 控制系统一般概念1

1.1 引言1

1.2 控制科学与控制论、系统论、信息论2

1.3 自动控制的发展2

1.4 自动控制系统分类和组成4

1.4.1 自动控制的有关概念4

1.4.2 自动控制系统分类4

1.4.3 开环控制系统与闭环控制系统5

1.4.4 恒值控制系统和伺服系统7

1.5 闭环控制系统的基本组成8

1.6 现代控制系统实例10

1.7 对控制系统的基本要求14

1.8 典型控制输入信号或者测试信号15

习题17

第2章 控制系统的数学模型20

2.1 控制系统的微分方程20

2.1.1 控制系统微分方程的建立20

2.1.2 非线性系统的线性近似24

2.2 控制系统的传递函数27

2.2.1 传递函数的定义27

2.2.2 常用控制元件的传递函数32

2.3 控制系统的频率特性33

2.3.1 频率特性的基本概念33

2.3.2 频率特性的几何表示方法35

2.4 控制系统的状态空间模型37

2.4.1 状态变量与状态空间37

2.4.2 状态空间表达式37

2.4.3 各数学模型间的相互转换40

2.5 控制系统的结构图与信号流图46

2.5.1 控制系统的结构图46

2.5.2 控制系统的信号流图51

2.6 典型控制系统的数学模型54

2.7 拉普拉斯变换57

2.7.1 拉普拉斯变换的定义57

2.7.2 拉普拉斯变换的常用定理58

2.7.3 拉普拉斯逆变换61

2.7.4 利用拉普拉斯变换法求解微分方程64

习题65

第3章 时域分析法70

3.1 控制系统的时域响应和时域性能指标70

3.1.1 控制系统的时域响应70

3.1.2 控制系统的时域性能指标70

3.2 线性系统的动态性能分析71

3.2.1 一阶系统的动态性能分析71

3.2.2 二阶系统的动态性能分析76

3.2.3 高阶系统的动态性能近似分析88

3.3 线性系统的稳定性分析90

3.3.1 系统稳定性的基本概念90

3.3.2 线性定常系统稳定的充要条件91

3.3.3 劳斯判据92

3.4 线性系统的稳态性能分析98

3.4.1 误差及稳态误差98

3.4.2 系统稳态误差的一般性分析101

3.4.3 利用前馈控制减小或消除稳态误差的方法107

3.5 PID控制器设计112

3.5.1 PID控制原理及形式113

3.5.2 PID参数整定方法115

3.5.3 时域法的设计实例121

习题125

第4章 根轨迹法132

4.1 根轨迹法的基本概念132

4.1.1 根轨迹的基本概念132

4.1.2 根轨迹与系统性能关系分析133

4.1.3 根轨迹方程134

4.2 绘制根轨迹的一般方法136

4.2.1 180°根轨迹（常规根轨迹）136

4.2.2 0°根轨迹147

4.2.3 参数根轨迹148

4.3 根轨迹法设计实例150

习题156

第5章 频率响应法159

5.1 控制系统的频率响应159

5.1.1 频率响应的概念159

5.1.2 利用频率响应的概念求稳态输出161

5.2 开环极坐标图163

5.2.1 典型环节的极坐标图163

5.2.2 开环传递函数的极坐标图绘制168

5.3 开环Bode图171

5.3.1 典型环节的Bode图171

5.3.2 开环传递函数的Bode图绘制176

5.3.3 用Matlab绘制系统的Bode图180

5.3.4 最小相角和非最小相角系统182

5.4 频域稳定判据184

5.4.1 Nyquist稳定判据的数学基础185

5.4.2 对数频域稳定判据191

5.4.3 频域稳定裕度192

5.5 频域性能指标194

5.6 用Matlab分析系统稳定性198

5.7 校正补偿及设计202

5.7.1 典型补偿环节202

5.7.2 补偿设计实例204

习题210

第6章 线性离散系统分析216

6.1 离散系统的基本概念216

6.1.1 采样控制系统216

6.1.2 数字控制系统218

6.1.3 离散控制系统的特点219

6.2 信号采样与保持220

6.2.1 信号采样220

6.2.2 零阶保持器221

6.3 z变换理论221

6.3.1 z变换定义221

6.3.2 z变换方法222

6.3.3 z变换的基本性质223

6.3.4 z反变换224

6.4 离散系统的数学模型226

6.4.1 线性常系数差分方程及其解法226

6.4.2 脉冲传递函数229

6.4.3 开环系统脉冲传递函数231

6.4.4 闭环系统脉冲传递函数233

6.5 离散系统的性能分析235

6.5.1 稳定性分析235

6.5.2 离散系统的稳态误差238

6.6 离散系统的数字PID控制241

习题243

第7章 状态反馈系统设计246

7.1 系统的可控性与可观性246

7.1.1 系统的可控性246

7.1.2 系统的可观性247

7.1.3 系统的可控性与可观性判据248

7.2 用状态反馈配置闭环系统的极点249

7.2.1 状态反馈与极点配置250

7.2.2 用Matlab工具箱进行控制律设计251

习题254

第8章 非线性控制系统分析257

8.1 引言257

8.2 非线性控制系统概述257

8.2.1 非线性系统的特点257

8.2.2 非线性系统的分析与设计方法260

8.3 常见非线性特性及其对系统性能的影响260

8.4 描述函数法265

8.4.1 描述函数的基本概念265

8.4.2 典型非线性特性描述函数267

8.4.3 非线性系统的简化272

8.4.4 描述函数法进行非线性系统分析275

8.5 非线性控制系统仿真实例279

习题282

第9章 现代控制系统案例分析285

9.1 磁悬浮球控制系统285

9.1.1 磁悬浮球系统的结构和工作机理285

9.1.2 磁悬浮球的数学模型285

9.1.3 磁悬浮球的PID控制286

9.2 彩色显像管厂玻璃窑炉控制系统288

9.2.1 玻璃窑炉结构与工作原理288

9.2.2 玻璃窑炉的温度控制289

9.3 炼油厂蒸馏塔加热炉纯滞后温度控制系统293

9.3.1 石油分馏加工流程简介293

9.3.2 加热炉数学模型的建立294

9.3.3 加热炉温度系统的PID控制算法设计与研究294

9.4 四旋翼飞行器视觉跟踪控制系统297

9.4.1 四旋翼飞行器的结构和飞行原理297

9.4.2 四旋翼俯仰方向飞行器模型的建立和PID控制299

附录 中英文术语对照301

参考文献304