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第1章 自动控制的一般概念1

1.1 引例1

1.2 反馈的基本概念2

1.3 术语3

1.4 自动控制系统示例5

1.5 控制系统的组成5

1.5.1 反馈控制系统的基本组成5

1.5.2 开环控制7

1.5.3 闭环与开环控制系统的比较7

1.5.4 复合控制系统8

1.6 自动控制系统的分类8

1.7 对自动控制系统的基本要求11

1.8 本课程的任务11

1.9 自动控制理论的发展12

习题15

第2章 连续控制系统的数学模型17

2.1 引例17

2.2 控制系统数学模型的概念18

2.2.1 数学模型的类型18

2.2.2 数学模型的特点19

2.2.3 建立数学模型的方法19

2.3 控制系统的动态微分方程20

2.3.1 列写动态微分方程的一般方法20

2.3.2 非线性元件微分方程的线性化23

2.4 控制系统的传递函数26

2.4.1 传递函数的定义26

2.4.2 传递函数的性质26

2.4.3 传递函数的求取27

2.5 动态结构图及其等效变换30

2.5.1 动态结构图的概念30

2.5.2 结构图的等效变换33

2.6 信号流图37

2.6.1 信号流图介绍38

2.6.2 系统的信号流图38

2.6.3 信号流图中的术语40

2.6.4 信号流图的性质41

2.6.5 梅逊（Mason）公式41

2.7 磁悬浮系统的数学模型43

小结49

习题49

第3章 时域分析法55

3.1 引例55

3.2 典型输入信号和时域性能指标56

3.2.1 典型输入信号56

3.2.2 动态过程和稳态过程58

3.2.3 控制系统的时域性能指标58

3.3 典型系统的动态响应及其性能指标60

3.3.1 一阶系统的动态响应分析60

3.3.2 二阶系统的动态响应分析62

3.3.3 二阶系统性能的改善68

3.4 高阶系统的动态分析70

3.4.1 高阶系统的瞬态响应70

3.4.2 高阶系统的降阶71

3.5 线性系统的稳定性分析73

3.5.1 稳定的概念和稳定的充要条件73

3.5.2 代数稳定判据74

3.5.3 代数判据的应用76

3.6 稳态误差分析与计算78

3.6.1 误差及稳态误差的定义79

3.6.2 给定输入下的稳态误差80

3.6.3 扰动信号作用下的稳态误差83

3.7 应用MATLAB进行时域分析85

3.7.1 应用MATLAB分析系统的稳定性85

3.7.2 应用MATLAB分析系统的动态特性86

3.8 炉温自动控制系统时域分析87

3.8.1 系统各部分的传递函数87

3.8.2 系统的时域分析89

小结91

习题91

第4章 根轨迹法94

4.1 引例94

4.2 根轨迹的基本概念95

4.2.1 根轨迹95

4.2.2 根轨迹方程及相角、幅值条件95

4.2.3 闭环零、极点与开环零、极点之间的关系96

4.3 根轨迹绘制规则97

4.3.1 根轨迹的起点与终点98

4.3.2 根轨迹的分支数与对称性98

4.3.3 实轴上的根轨迹99

4.3.4 根轨迹的渐近线99

4.3.5 分离点及会合点100

4.3.6 根轨迹的起始角与终止角101

4.3.7 根轨迹与虚轴的交点102

4.3.8 根之和规律102

4.4 控制系统根轨迹的绘制103

4.5 广义根轨迹108

4.5.1 参数根轨迹109

4.5.2 正反馈系统的根轨迹110

4.5.3 非最小相位系统的根轨迹111

4.6 控制系统的根轨迹分析114

4.6.1 闭环零点、极点和开环根轨迹增益的确定114

4.6.2 闭环零点、极点分布对系统性能的影响114

4.6.3 利用根轨迹估算系统性能115

4.6.4 开环零、极点对根轨迹的影响116

4.7 利用MATLAB绘制系统的根轨迹118

4.8 用根轨迹法设计小车控制系统120

4.8.1 系统建模120

4.8.2 控制器的设计121

小结123

习题124

第5章 频率特性法127

5.1 引例127

5.2 频率特性127

5.2.1 基本概念127

5.2.2 频率特性曲线130

5.3 典型环节的频率特性131

5.4 系统的开环频率特性138

5.4.1 开环幅相曲线139

5.4.2 开环对数频率特性曲线141

5.4.3 最小相位系统与非最小相位系统142

5.5 奈奎斯特稳定判据144

5.5.1 数学基础144

5.5.2 奈奎斯特稳定判据146

5.5.3 对数频率稳定判据150

5.6 开环频域分析152

5.6.1 稳定裕度152

5.6.2 开环频率特性分析154

5.7 闭环频率特性157

5.7.1 闭环频域指标157

5.7.2 闭环频域指标和时域指标的关系157

5.7.3 闭环频域指标和开环频域指标的关系158

5.8 MATLAB频域特性分析160

小结161

习题161

第6章 控制系统的校正166

6.1 校正的基本概念166

6.1.1 校正的定义166

6.1.2 校正方式167

6.1.3 校正装置的设计方法168

6.2 频率法串联校正169

6.2.1 串联超前校正169

6.2.2 串联滞后校正172

6.2.3 串联滞后-超前校正176

6.2.4 串联综合法校正179

6.2.5 PID调节器182

6.3 频率法反馈校正185

6.3.1 反馈校正原理185

6.3.2 综合法反馈校正185

6.4 复合校正188

6.4.1 按扰动补偿的复合校正188

6.4.2 按输入补偿的复合校正190

6.5 MATLAB在控制系统校正中的应用191

小结193

习题194

第7章 非线性系统197

7.1 引例197

7.2 常见非线性系统及其特点199

7.2.1 常见非线性特性199

7.2.2 非线性系统的特点201

7.3 相平面法204

7.3.1 基本概念204

7.3.2 线性系统的相轨迹204

7.3.3 相轨迹的做法208

7.3.4 非线性系统的相平面分析211

7.4 描述函数法214

7.4.1 描述函数的概念214

7.4.2 描述函数的求法215

7.4.3 用描述函数研究非线性系统的稳定性和自振220

7.5 基于MATLAB的非线性系统分析225

7.6 非线性特性的利用232

小结235

习题235

第8章 采样控制系统240

8.1 引例240

8.2 采样与保持241

8.2.1 采样过程241

8.2.2 采样定理243

8.2.3 零阶保持器245

8.3 差分方程247

8.3.1 差分的定义247

8.3.2 线性常系数差分方程248

8.4 Z变换249

8.4.1 Z变换定义249

8.4.2 Z变换方法249

8.4.3 Z变换的性质251

8.4.4 Z反变换254

8.4.5 差分方程的解法256

8.5 离散系统的传递函数257

8.5.1 Z传递函数的定义257

8.5.2 离散系统的结构图与开环传递函数258

8.5.3 闭环系统的传递函数261

8.6 离散系统的稳定性分析264

8.6.1 离散系统的稳定条件264

8.6.2 劳斯稳定判据265

8.7 采样系统的稳态误差267

8.7.1 用终值定理计算稳态误差267

8.7.2 用静态误差系数计算稳态误差268

8.8 暂态响应与传递函数零、极点分布的关系271

8.9 采样系统的校正274

8.9.1 PID数字控制器的设计方法274

8.9.2 数字控制器的数字化直接设计方法275

8.9.3 最少拍系统的设计276

8.10 MATLAB在离散系统中的应用279

8.10.1 连续系统的离散化279

8.10.2 求采样系统的响应279

小结281

习题281

参考文献285