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第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 自动控制系统的基本原理和组成 3

1.2.1 自动控制系统 3

1.2.2 反馈原理与优化设计 5

1.2.3 自动控制系统的组成 8

1.3 自动控制系统的分类 9

1.3.1 按信号的传递路径来分 9

1.3.2 按系统输出信号的变化规律来分 10

1.3.3 按系统传输信号的性质来分 10

1.3.4 按系统的输入输出特性来分 11

1.4 控制系统实例 12

1.4.1 内燃机的转速控制系统 12

1.4.2 角度随动系统 13

1.5 本书概貌 13

习题 15

第2章 控制系统的数学模型 18

2.1 控制系统的时域数学模型——微分方程 18

2.1.1 系统的微分方程举例 19

2.1.2 非线性系统的线性化 19

2.2 控制系统的复域数学模型——传递函数 21

2.2.1 传递函数定义 21

2.2.2 传递函数性质 22

2.3 控制系统的频域数学模型——频率特性 23

2.4 典型环节及其传递函数 23

2.4.1 比例环节 24

2.4.2 微分环节 25

2.4.3 积分环节 27

2.4.4 惯性环节（非周期环节） 28

2.4.5 振荡环节 28

2.4.6 时间延迟环节（时滞环节） 29

2.5 控制系统的方块图 30

2.5.1 系统方块图 30

2.5.2 方块图的基本运算法则 31

2.5.3 系统常用的传递函数 32

2.5.4 方块图的简化法则 33

2.6 信号流图 36

2.6.1 几个定义 36

2.6.2 信号流图的性质及运算法则 37

2.6.3 信号流图与方块图之间等效关系 37

2.6.4 梅逊公式 39

2.7 物理元件和系统的数学模型 41

2.7.1 机械系统 41

2.7.2 电气系统 42

2.7.3 热力系统 45

2.7.4 液位系统 46

2.7.5 典型位置随动系统的数学模型 49

2.8 MATLAB在系统数学模型转换中的应用 50

2.8.1 MATLAB中传递函数的分式多项式的表示 50

2.8.2 传递函数的零极点表示 51

2.8.3 用MATLAB计算系统的传递函数 52

2.8.4 MATLAB中多项式与因式分解形式的互相转换 54

小结 55

习题 55

第3章 自动控制系统的时域分析 61

3.1 典型测试信号 61

3.1.1 阶跃信号 62

3.1.2 速度信号（斜坡信号） 62

3.1.3 加速度信号（抛物线信号） 63

3.1.4 脉冲信号 63

3.1.5 正弦信号 64

3.2 控制系统的稳定性分析 65

3.2.1 稳定性的基本概念 65

3.2.2 线性定常系统稳定的充分必要条件 65

3.2.3 劳斯稳定性判据 67

3.2.4 用MATLAB分析系统的稳定性 71

3.3 控制系统的稳态特性——稳态误差分析 72

3.3.1 稳态误差和控制系统类型 73

3.3.2 稳态误差系数和稳态误差计算 74

3.3.3 几点结论 78

3.4 控制系统的动态特性——动态响应分析 78

3.4.1 控制系统动态响应指标 78

3.4.2 一阶系统的动态响应 80

3.4.3 二阶系统动态响应的描述参数 81

3.4.4 二阶系统的单位阶跃响应 83

3.4.5 二阶系统的动态响应指标 84

3.4.6 二阶系统的参数优化 86

3.5 高阶系统的动态响应 87

3.5.1 高阶系统动态响应的特点 87

3.5.2 主导极点、偶极子和附加零极点 89

3.6 利用MATLAB分析系统性能 91

3.6.1 step命令 91

3.6.2 impulse命令 92

3.6.3 lsim命令 93

小结 94

习题 95

第4章 根轨迹法 101

4.1 闭环系统的根轨迹 101

4.1.1 根轨迹的定义 101

4.1.2 根轨迹的幅值条件和相角条件 103

4.2 绘制根轨迹的基本规则 104

4.2.1 绘制根轨迹的基本规则和步骤 104

4.2.2 开环零、极点的变化对根轨迹的影响 111

4.3 根轨迹在系统参数优化中的应用 113

4.3.1 用根轨迹分析闭环主导极点 113

4.3.2 用根轨迹优化系统的主导极点 115

4.4 用MATLAB绘制根轨迹 116

小结 118

习题 119

第5章 线性系统的频域分析——频率响应法 125

5.1 频率特性 125

5.1.1 线性定常系统对正弦输入信号的响应 125

5.1.2 系统的频率特性 126

5.1.3 频率特性的性质 127

5.2 频率特性图 127

5.2.1 频率特性的极坐标图（奈氏图） 127

5.2.2 典型环节的奈氏图 128

5.2.3 对数频率特性图（伯德图） 133

5.2.4 基本因子的伯德图 134

5.2.5 控制系统的伯德图 139

5.2.6 最小相位系统和非最小相位系统 143

5.2.7 对数幅相特性图 144

5.2.8 用MATLAB作频率特性图 145

5.3 频域中的稳定性判据 146

5.3.1 引言 146

5.3.2 幅角原理 147

5.3.3 奈氏稳定性判据 148

5.3.4 伯德图的奈氏判据 153

5.4 根据伯德图求系统传递函数 155

5.5 基于频率特性的性能分析与优化设计 157

5.5.1 开环频率特性的性能指标 157

5.5.2 稳定裕量 157

5.5.3 开环频域指标与时域性能指标的关系 159

5.5.4 基于闭环频率特性的系统性能分析 162

5.5.5 从尼科尔斯图求闭环系统的频域指标 163

5.5.6 用MATLAB分析系统的动态性能 165

小结 167

习题 168

第6章 线性控制系统的设计 176

6.1 引言 176

6.2 不同域中系统动态性能指标的相互关系 177

6.3 串联校正 178

6.3.1 相位超前校正 179

6.3.2 相位滞后校正 188

6.3.3 相位超前-滞后校正 194

6.3.4 有源校正网络 203

6.3.5 不希望极点的抵消 203

6.4 局部反馈校正 204

6.4.1 局部反馈校正的基本原理 204

6.4.2 速度反馈 205

6.4.3 速度微分反馈 207

6.5 PID控制器 208

6.5.1 比例-积分控制 209

6.5.2 比例-微分控制 210

6.5.3 比例-积分-微分控制 211

6.5.4 PID的参数优化 212

6.5.5 PID控制的实现 215

6.6 前馈补偿与复合控制 216

6.6.1 按输入补偿的复合控制系统 216

6.6.2 按扰动补偿的复合控制系统 217

小结 217

习题 219

第7章 非线性反馈控制系统 225

7.1 非线性控制系统概述 225

7.1.1 典型非线性特性 225

7.1.2 非线性系统的特点 227

7.2 描述函数法 228

7.2.1 描述函数的基本概念 228

7.2.2 典型非线性特性的描述函数 229

7.2.3 组合非线性特性的描述函数 232

7.2.4 非线性系统的描述函数分析 233

7.3 相平面法 235

7.3.1 相轨迹的基本概念 235

7.3.2 奇点和极限环 236

7.3.3 相轨迹的绘制 239

7.3.4 非线性系统的相平面分析 241

7.4 利用非线性特性优化系统的性能 244

7.5 MATLAB在非线性控制系统中的应用 246

小结 247

习题 248

第8章 计算机控制系统 252

8.1 概述 252

8.2 计算机控制系统的硬件组成 253

8.3 采样与恢复 254

8.3.1 采样过程 255

8.3.2 采样定理 256

8.3.3 信号恢复 258

8.4 z变换 261

8.4.1 z变换的定义 261

8.4.2 z变换的基本性质 262

8.4.3 z变换的求法 265

8.4.4 z反变换的求法 267

8.5 脉冲传递函数 268

8.5.1 数字部分的脉冲传递函数 269

8.5.2 连续部分的脉冲传递函数 269

8.5.3 采样器位置的重要性 272

8.5.4 闭环脉冲传递函数 273

8.6 离散控制系统的性能分析 277

8.6.1 离散控制系统的稳定性分析 277

8.6.2 离散控制系统的动态性能分析 280

8.6.3 离散控制系统的稳态性能分析 284

8.7 数字控制器的设计 287

8.7.1 数字控制器的模拟化设计 287

8.7.2 数字控制器的直接设计 293

8.8 MATLAB在离散控制系统中的应用 297

小结 299

习题 300

附录1 常见系统的根轨迹 305

附录2 拉氏变换及z变换表 307

附录3 常用校正装置 309

参考文献 314

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