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第1章 自动控制的基本概念1

1.1引言1

1.2自动控制的基本知识2

1.2.1自动控制问题的提出2

1.2.2自动控制的定义及基本职能元件3

1.2.3自动控制中的一些术语及方框图4

1.3自动控制系统的基本控制方式5

1.3.1开环控制5

1.3.2闭环控制7

1.3.3开环系统与闭环系统的比较8

1.4自动控制系统的分类及基本组成9

1.4.1按给定信号的特征分类9

1.4.2按系统的数学描述分类10

1.4.3按信号传递的连续性分类11

1.4.4按系统的输入与输出信号的数量分类12

1.4.5自动控制系统的基本组成13

1.5对控制系统的要求和分析设计14

1.5.1对系统的要求14

1.5.2控制系统的分析与设计16

1.6自动控制理论的发展概况17

1.6.1早期的自动控制工作17

1.6.2经典控制理论17

1.6.3现代控制理论19

1.7例题精解19

学习指导与小结21

习题23

第2章 控制系统的数学模型25

2.1引言25

2.1.1系统数学模型的特点25

2.1.2数学模型的类型26

2.1.3系统数学模型的建模原则26

2.2系统微分方程的建立26

2.2.1列写微分方程式的一般步骤27

2.2.2机械系统举例27

2.2.3电路系统举例28

2.2.4实际物理系统线性微分方程的一般特征29

2.2.5电枢控制直流电动机30

2.2.6复杂系统微分方程的列写32

2.3非线性数学模型线性化33

2.3.1小偏差线性化的概念34

2.3.2线性化的意义及常用方法34

2.3.3系统线性化的条件及步骤36

2.3.4关于线性化的几点说明39

2.4线性系统的传递函数40

2.4.1线性常系数微分方程的求解40

2.4.2传递函数的定义和实际意义41

2.4.3传递函数的性质及微观结构43

2.5典型环节及其传递函数48

2.6系统的结构图54

2.6.1结构图的定义及基本组成54

2.6.2结构图的绘制步骤55

2.6.3结构图的基本连接形式56

2.6.4结构图的等效变换59

2.6.5结构图的简化60

2.7信号流图及梅逊公式62

2.7.1信号流图的基本概念62

2.7.2信号流图的绘制方法64

2.7.3梅逊增益公式66

2.8例题精解70

学习指导与小结80

习题82

第3章 时域分析法87

3.1典型输入信号和时域性能指标87

3.1.1典型输入信号87

3.1.2阶跃响应性能指标89

3.2一阶系统时域分析91

3.2.1一阶系统的单位阶跃响应91

3.2.2一阶系统的单位脉冲响应92

3.2.3一阶系统的单位斜坡响应93

3.3典型二阶系统时域分析93

3.3.1典型二阶系统的单位阶跃响应94

3.3.2欠阻尼二阶系统暂态性能指标估算99

3.3.3二阶系统的单位脉冲响应102

3.3.4二阶系统的单位斜坡响应103

3.3.5二阶系统性能的改善104

3.4高阶系统分析107

3.4.1高阶系统的单位阶跃响应107

3.4.2闭环零、极点对系统性能的影响108

3.4.3闭环主导极点109

3.5控制系统的稳定性分析110

3.5.1稳定性的概念及线性系统稳定的充要条件110

3.5.2劳斯稳定判据111

3.5.3两种特殊情况113

3.5.4劳斯稳定判据在系统分析中的应用114

3.6控制系统的稳态误差分析116

3.6.1稳态误差的定义及一般计算公式116

3.6.2控制系统的类型117

3.6.3给定信号作用下的稳态误差分析117

3.6.4扰动信号作用下的稳态误差分析121

3.7例题精解122

学习指导与小结129

习题131

第4章 根轨迹法134

4.1根轨迹134

4.1.1根轨迹的基本概念134

4.1.2根轨迹与系统性能135

4.1.3根轨迹方程136

4.2绘制根轨迹的基本法则137

4.2.1绘制根轨迹的基本法则138

4.2.2闭环极点的确定146

4.3广义根轨迹147

4.3.1零度根轨迹147

4.3.2参变量根轨迹149

4.3.3增加开环零极点对根轨迹的影响151

4.4例题精解152

学习指导与小结160

习题161

第5章 线性系统的频率响应法163

5.1频率特性163

5.1.1基本概念163

5.1.2频率特性的定义165

5.1.3频率特性的几何表示法166

5.2典型环节的频率特性167

5.3控制系统的开环频率特性175

5.3.1开环极坐标图175

5.3.2开环伯德图179

5.3.3最小相位系统与非最小相位系统181

5.4奈奎斯特稳定判据183

5.4.1辅助函数183

5.4.2幅角原理184

5.4.3奈氏判据184

5.4.4伯德图上的稳定性判据190

5.5开环频域指标192

5.5.1稳定裕度192

5.5.2开环频域指标与时域性能指标的关系194

5.6闭环频率特性197

5.6.1闭环频率特性197

5.6.2闭环频域指标与时域性能指标的关系197

5.6.3闭环频域指标与开环频域指标的关系199

5.7例题精解199

学习指导与小结205

习题206

第6章 控制系统的校正210

6.1校正的基本概念210

6.1.1校正的定义210

6.1.2校正方式211

6.1.3设计方法212

6.2典型校正装置213

6.2.1典型无源超前校正网络213

6.2.2典型无源滞后校正网络214

6.2.3典型无源滞后—超前校正网络215

6.2.4调节器216

6.3频率法串联校正218

6.3.1串联超前校正218

6.3.2串联滞后校正221

6.3.3串联无源滞后—超前校正224

6.3.4串联综合法224

6.3.5 PID调节器226

6.4频率法反馈校正229

6.5控制系统的复合校正232

6.5.1按扰动补偿的复合校正232

6.5.2按输入补偿的复合校正234

6.6例题精解235

学习指导与小结243

习题244

第7章 非线性系统248

7.1典型非线性特性248

7.1.1典型非线性特性的种类248

7.1.2非线性系统的若干特征250

7.1.3非线性系统的分析方法252

7.2描述函数法252

7.2.1描述函数的定义252

7.2.2描述函数的求法253

7.2.3组合非线性特性的描述函数256

7.2.4用描述函数法分析非线性系统257

7.3相平面法260

7.3.1相平面法的基本概念261

7.3.2相平面图的绘制261

7.3.3线性系统的相平面图263

7.3.4奇点和奇线266

7.3.5非线性系统的相平面法分析270

7.4例题精解274

学习指导与小结283

习题284

第8章 离散控制系统288

8.1引言288

8.1.1离散系统的基本概念288

8.1.2离散系统的定义及常用术语290

8.1.3离散系统的特点292

8.2采样过程和采样定理293

8.2.1采样过程的数学描述293

8.2.2采样信号频谱分析295

8.2.3采样定理297

8.3信号恢复298

8.3.1信号保持的基本原理298

8.3.2零阶保持器299

8.4 Z变换301

8.4.1 Z变换的定义302

8.4.2 Z变换的求法302

8.4.3 Z变换的性质305

8.4.4 Z反变换310

8.5离散系统的数学模型312

8.5.1差分方程313

8.5.2脉冲传递函数317

8.5.3离散系统结构图与脉冲传递函数321

8.5.4两种数学模型之间的相互转换329

8.6离散系统的时域分析330

8.6.1s平面与z平面的映射关系331

8.6.2离散系统的动态性能分析332

8.6.3离散系统的稳定性分析338

8.6.4离散系统的稳态误差341

8.7离散系统的数字校正344

8.7.1数字控制器的脉冲传递函数345

8.7.2最少拍系统及其设计347

8.8例题精解358

学习指导与小结366

习题370

第9章 控制系统的MATLAB仿真与模拟实验374

9.1 MATLAB简介374

9.1.1 MATLAB的安装374

9.1.2 MATLAB工作界面375

9.1.3 MATLAB命令窗口376

9.2 MATLAB基本操作命令377

9.2.1简单矩阵的输入377

9.2.2复数矩阵输入378

9.2.3 MATLAB语句和变量378

9.2.4语句以“％”开始和以分号“；”结束的特殊效用379

9.2.5工作空间信息的获取、退出和保存379

9.2.6常数与算术运算符379

9.2.7 MATLAB图形窗口380

9.2.8 MATLAB编程指南380

9.3 MATLAB在控制系统中的应用381

9.3.1用MATLAB建立传递函数模型381

9.3.2用MATLAB求系统的零点、极点及特征多项式385

9.3.3用MATLAB绘制二维图形387

9.3.4用MATLAB分析控制系统性能391

9.4 Simulink方法建模与仿真407

9.5自动控制理论模拟实验与Simulink仿真410

实验一 典型环节与阶跃响应测试411

实验二 系统频率特性测量417

实验三 连续系统的频率法串联校正422

附录1 拉普拉斯（Laplace）变换428

附录2 MATLAB常用命令436

参考文献438