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第一章　概论1

1.1　控制理论发展综述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

1.4.1　线性控制系统和非线性控制系统8

1.4.2　恒值控制系统和随动系统8

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

1.5.2　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

2.2　系统输入-输出的传递函数描述15

2.3　典型环节传递函数的数学模型19

2.3.1　比例环节19

2.3.2　一阶环节19

2.3.3　积分和微分环节19

2.3.4　二阶环节20

2.3.5　时滞环节20

2.4　用方块图表示的模型21

2.5　信号流程图与梅逊公式26

2.6　状态空间模型简介32

2.6.1　状态、状态变量及状态空间方程32

2.6.2　线性定常控制系统的状态方程描述34

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35

2.6.4　传递函数与状态空间方程之间关系36

2.7 数学模型的MATLAB描述36

2.7.1　连续系统数学模型的MATLAB表示37

2.7.2　离散系统数学模型的MATLAB表示40

2.7.3　模型之间的转换40

2.7.4　控制系统的建模41

2.7.5 Simulink建模方法——复杂系统的模型处理方法43

小结45

习题46

第三章　控制系统的时域分析法48

3.1　线性系统的稳定性48

3.1.1　稳定性的基本概念48

3.1.2　线性系统的稳定性49

3.1.3　线性系统稳定的充分必要条件49

3.1.4　劳斯-赫尔维茨（Routh-Hurwitz）稳定判据49

3.2　线性系统稳定性的MATLAB判定方法58

3.3　控制系统的静态误差60

3.3.1　典型输入信号60

3.3.2　静态误差和误差传递函数61

3.3.3　静态误差系数61

3.3.4　动态误差63

3.4　控制系统的暂态响应性能指标65

3.5　一阶系统暂态响应67

3.5.1　一阶系统的单位阶跃响应67

3.5.2　一阶系统的单位脉冲响应68

3.5.3　线性定常系统的重要特性68

3.6　二阶系统的暂态响应69

3.6.1　二阶系统的单位阶跃响应72

3.6.2　二阶系统的暂态响应指标74

3.6.3　二阶系统的脉冲响应77

3.7　高阶系统的暂态响应79

3.8　用MATLAB进行暂态响应分析80

3.8.1　线性系统的MATLAB表示80

3.8.2　传递函数系统单位阶跃响应的求法81

3.8.3　脉冲响应82

3.8.4　求脉冲响应的另一种方法82

3.8.5　斜坡响应83

3.8.6　系统时域响应的直接求取85

小结86

习题87

第四章　根轨迹法90

4.1　根轨迹图91

4.2　绘制根轨迹的数学依据及其性质92

4.2.1　开环传递函数的两种表达式92

4.2.2　闭环特征方程的几种表达形式93

4.2.3　绘制根轨迹的数学依据93

4.3　绘制根轨迹的一般规则95

4.3.1　绘制根轨迹规则的阐述95

4.3.2　绘制根轨迹规则的列表99

4.4　例题100

4.5　参数根轨迹和多回路系统的根轨迹108

4.5.1　参数根轨迹108

4.5.2　多回路系统的根轨迹109

4.6　正反馈回路和非最小相位系统根轨迹111

4.6.1　正反馈回路根轨迹111

4.6.2　非最小相位系统之根轨迹112

小结114

习题114

第五章　频率响应法117

5.1　频率特性117

5.1.1 由传递函数求系统的频率响应117

5.1.2　由实验方法求频率特性119

5.1.3　频率特性的基本概念120

5.2　极坐标图122

5.2.1　典型环节的奈奎斯特曲线122

5.2.2　开环系统的奈奎斯特图127

5.3　对数坐标图131

5.3.1　典型环节的伯德图132

5.3.2　开环系统的伯德图139

5.3.3　最小相位系统与非最小相位系统141

5.3.4　系统开环对数幅频特性与闭环稳态误差的关系143

5.4　奈奎斯特稳定判据146

5.4.1　辐角原理146

5.4.2　奈奎斯特稳定判据148

5.4.3　奈奎斯特稳定性判据的进一步说明150

5.4.4　奈奎斯特稳定判据在对数坐标图上的应用155

5.5　相对稳定性分析157

5.5.1　用奈奎斯特图表示相位裕量和幅值裕量157

5.5.2　用伯德图表示相位裕量和幅值裕量158

5.5.3　对数幅频特性中频段与系统动态性能的关系161

5.6　频域性能指标与时域性能指标间的关系164

5.6.1　开环频率特性中相位裕量与时域性能指标的关系164

5.6.2　闭环频率特性及其特征量166

5.6.3　闭环频域特性与时域响应性能指标的关系168

小结170

习题171

第六章　自动控制系统的设计176

6.1　控制系统设计的基本思路176

6.2　串联校正装置的结构与特性178

6.2.1　超前校正178

6.2.2　滞后校正181

6.2.3　滞后-超前校正183

6.3　基于频率法的串联校正设计185

6.3.1　超前校正185

6.3.2　滞后校正188

6.3.3　滞后-超前校正190

6.3.4　基于频率法的MATLAB串联校正设计192

6.4　基于根轨迹的串联校正设计195

6.4.1　超前校正195

6.4.2　滞后校正203

6.4.3　滞后-超前校正206

6.4.4　基于根轨迹的串联校正MATLAB设计208

6.5 PID校正211

6.5.1 PID控制器工作原理212

6.5.2 Zieloger-Niclosls整定公式217

6.6　控制器的极点配置方法223

小结226

习题227

第七章　离散系统分析230

7.1　离散系统引论230

7.2　连续信号的采样与复现231

7.2.1　采样过程及其数学描述231

7.2.2　保持器232

7.2.3　采样定理233

7.3 z变换234

7.3.1 z变换的定义234

7.3.2 z变换性质235

7.3.3 z变换方法236

7.4 z反变换238

7.5　脉冲传递函数240

7.5.1　脉冲传递函数的基本概念240

7.5.2　串联环节的开环脉冲传递函数242

7.5.3　闭环系统的脉冲传递函数244

7.6　求离散系统的时域响应247

7.7　离散系统的稳定性分析248

7.7.1　离散系统稳定条件248

7.7.2　离散系统的劳斯稳定判据250

7.8　离散系统的频率特性分析252

小结254

习题255

第八章　非线性系统分析257

8.1　非线性系统概述257

8.1.1　非线性系统数学模型257

8.1.2　非线性系统与线性系统的比较257

8.1.3　非线性系统研究方法258

8.1.4　典型非线性环节的输入、输出特性259

8.2　小范围线性近似法261

8.3　相平面的概念及相轨迹作图方法264

8.3.1　相平面基本概念264

8.3.2　相轨迹作图方法268

8.4　非线性控制系统相平面分析278

8.5　非线性环节的描述函数285

8.5.1　描述函数的基本概念285

8.5.2　典型非线性环节的描述函数287

8.6　非线性控制系统的描述函数分析291

8.6.1　非线性系统的稳定性判据291

8.6.2 自持振荡幅值与频率的确定293

8.6.3　含典型非线性环节的控制系统分析293

小结296

习题297

第九章　MATLAB语言简介301

9.1　系统仿真301

9.2 MATLAB集成环境的组成302

9.3 MATLAB的应用基础302

9.3.1　基本操作及命令302

9.3.2 MATLAB函数304

9.3.3　绘制响应曲线305

9.3.4 MATLAB语言的联机帮助功能307

9.4　经典控制系统分析及设计308

9.4.1　控制系统模型308

9.4.2　时域分析311

9.4.3　根轨迹法312

9.4.4　频域分析312

9.4.5　离散系统中常用的MATLAB函数313

9.5　控制系统分析中常用的MATLAB命令和函数314

9.6 MATLAB其他相关工具317

参考文献320