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第1章 绪论1

1.1引言1

1.2控制理论的发展历史2

1.3控制系统的基本概念4

控制系统的基本构成4

控制系统的分类7

控制系统的质量指标11

1.4机电控制系统实例11

1.5 MATLAB基础14

MATLAB简介14

MATLAB主要特点15

习题15

第2章 控制系统的时域模型19

2.1物理系统的微分方程19

2.2小偏差线性化22

问题的提出22

线性化23

2.3状态与状态方程25

状态与状态变量25

状态方程26

2.4机械系统数学模型的建立27

机械平移系统28

机械转动系统29

机械传动系统32

2.5其他系统建模34

2.6小结36

习题37

第3章 控制系统的复数域描述42

3.1拉氏变换42

拉氏变换的定义42

拉氏变换的性质43

拉氏逆变换47

拉氏变换的应用49

MATLAB求解拉氏变换与拉氏逆变换50

3.2传递函数51

传递函数的基本概念52

关于传递函数的几点说明52

传递函数阵53

3.3动态结构图56

动态结构图的基本元素56

动态结构图的化简58

3.4信号流图64

信号流图的基本元素64

动态结构图与信号流图之间的转换65

梅森公式66

基于MATLAB的结构图变换仿真68

3.5典型环节与控制系统的传递函数71

典型环节71

控制系统的传递函数72

3.6机电控制系统中的传感器与直流电动机73

传感器与编码器74

执行电动机77

3.7实例分析78

3.8小结82

习题82

第4章 控制系统的时域响应89

4.1时域响应的性能指标89

典型测试信号89

时域性能指标91

4.2一阶系统分析92

单位阶跃响应分析94

单位斜坡响应分析95

单位脉冲响应分析95

特征根的分布与响应形式之间的关系96

4.3二阶系统分析98

单位阶跃响应99

单位阶跃响应的性能指标101

单位斜坡响应103

特征根分布与响应形式之间的关系104

4.4增加零、极点对系统动态过程的影响107

单位反馈系统增加前向通路极点107

单位反馈系统增加前向通路零点109

闭环系统增加极点110

闭环系统增加零点111

4.5高阶系统近似113

4.6状态空间模型的时域响应分析115

4.7 MATLAB环境下时域响应分析117

4.8稳定性分析124

稳定性概念125

代数稳定判据128

相对稳定性132

4.9实例分析133

4.10小结139

习题140

第5章 反馈控制系统的性能144

5.1稳态误差144

非线性与误差144

误差的基本概念144

典型输入信号作用下的稳态误差147

稳态误差与闭环传递函数之间的关系150

5.2反馈与参数鲁棒性152

参数灵敏度152

反馈控制系统中的干扰信号154

反馈的副作用157

5.3指标函数与最优系统157

时域法158

频域法159

5.4实例分析161

5.5小结168

习题168

第6章 根轨迹分析172

6.1基本概念172

根轨迹172

根轨迹方程173

6.2根轨迹绘制法则174

6.3根轨迹绘制举例181

6.4其他形式的根轨迹185

正反馈系统的根轨迹185

非最小相位系统的根轨迹187

参数根轨迹189

6.5根轨迹分析190

6.6 MATLAB环境下根轨迹的绘制197

6.7实例分析198

6.8小结205

习题206

第7章 频域分析法210

7.1频率特性的概念210

频率特性的物理意义210

频率特性的数学意义212

频率特性的表示方法213

频率特性的性能指标214

7.2典型环节的频率特性215

比例环节215

积分环节215

微分环节216

惯性环节217

一阶微分环节219

二阶振荡环节219

二阶微分环节221

一阶不稳定环节222

延迟环节223

7.3控制系统的开环频率特性224

开环幅相特性225

开环对数频率特性228

7.4频率特性的测试方法232

7.5频域稳定性判据236

米哈伊洛夫定理236

奈奎斯特稳定性判据237

关于原点处极点或零点的处理240

稳定性判据的对数形式242

条件稳定系统245

多回路系统245

7.6稳定裕度247

7.7系统频域响应与时域响应的关系251

典型二阶系统时域响应与频域响应的关系251

一般系统时域响应与频域响应之间的关系253

开环频率特性与闭环频率特性之间的关系255

7.8基于MATLAB的频域分析258

7.9实例分析260

7.10小结266

习题267

第8章 控制系统设计271

8.1性能指标与设计方法271

8.2校正方式272

8.3串联校正网络274

超前校正网络274

滞后校正网络275

滞后-超前校正网络276

8.4超前校正网络设计277

超前校正网络的频域设计277

超前校正网络的根轨迹设计281

8.5滞后校正网络设计283

滞后校正网络的频域设计283

滞后校正网络的根轨迹设计286

8.6实例分析289

8.7小结297

习题297

第9章 状态空间法基础301

9.1引论301

9.2状态空间表达式的建立302

由结构图模型建立状态空间表达式302

由传递函数模型建立状态空间表达式305

9.3状态变换311

状态向量的非唯一性及特征值不变性311

常用标准型312

MATLAB下建立状态空间模型316

9.4系统能控性和能观性317

能控性318

能观性320

单输入系统的能控标准型和能观标准型323

系统能控性与能观性的对偶原理326

基于MATLAB的能控性与能观性分析326

9.5李雅普诺夫稳定性与判别方法330

李雅普诺夫的稳定性定义330

李雅普诺夫的稳定性判据332

线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析333

基于MATLAB的李雅普诺夫稳定性分析334

9.6线性定常系统的设计与综合335

状态反馈实现极点配置335

最优控制系统的设计342

状态观测器及其应用346

9.7实例分析349

9.8小结352

习题353

第10章 线性离散系统分析357

10.1引论357

10.2信号的采样与复现358

采样过程与采样定理358

信号保持360

A／D转换器和D／A转换器361

10.3z变换理论362

差分与差分方程362

z变换的定义363

z变换的方法363

z变换的性质366

z逆变换367

10.4脉冲传递函数369

离散系统的数学定义370

脉冲传递函数370

10.5离散系统响应的求解376

z变换方法求解差分方程376

利用MATLAB求解离散响应377

10.6线性定常离散系统的分析379

线性离散系统的稳定性379

离散系统稳态误差383

离散系统动态特性分析385

用LTI Viewer对离散控制系统进行系统分析390

10.7实例分析392

10.8小结396

习题397

参考文献401