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第1章自动控制系统概述1

1.1引言1

1.2自动控制系统的基本概念1

1.3控制系统的基本结构形式3

1.3.1开环控制系统3

1.3.2闭环控制系统4

1.3.3复合控制系统7

1.4闭环控制系统的组成和基本环节7

1.5自动控制系统分类9

1.5.1按控制系统元件特性分类9

1.5.2按控制系统信号形式分类11

1.5.3按输入量的变化形式分类12

1.6对自动控制系统的基本要求13

1.6.1稳定性13

1.6.2准确性14

1.6.3快速性14

小结17

习题17

第2章自动控制系统的数学模型19

2.1动态微分方程的建立19

2.1.1系统微分方程的描述19

2.1.2系统微分方程的建立20

2.2非线性数学模型的线性化24

2.3传递函数26

2.3.1传递函数的定义26

2.3.2典型环节的传递函数及暂态特性29

2.4系统动态结构图37

2.5系统传递函数和结构图的等效变换41

2.5.1典型连接的等效传递函数41

2.5.2相加点及分支点的变位运算43

2.5.3系统开环传递函数46

2.5.4系统闭环传递函数49

2.5.5系统对给定作用和扰动作用的传递函数51

2.6信号流图52

2.6.1信号流图中的术语53

2.6.2信号流图的绘制53

2.6.3信号流图的性质54

2.6.4信号流图的基本简化法则54

2.6.5梅逊公式55

2.7用MATLAB求解线性微分方程和化简系统方框图58

2.7.1MATLAB中数学模型的表示59

2.7.2用MATLAB求解线性微分方程61

2.7.3MATLAB在系统方框图化简中的应用63

小结65

习题66

第3章自动控制系统的时域分析法71

3.1系统的典型输入信号71

3.1.1阶跃信号（位置信号）71

3.1.2斜坡信号（速度信号）72

3.1.3抛物线信号（加速度信号）72

3.1.4脉冲信号73

3.1.5正弦信号73

3.2一阶系统的动态响应74

3.2.1一阶系统的数学模型74

3.2.2一阶系统的单位阶跃响应74

3.3二阶系统的阶跃响应76

3.3.1二阶系统的数学模型76

3.3.2二阶系统的阶跃响应77

3.3.3二阶系统暂态特性指标80

3.3.4二阶工程最佳参数84

3.3.5二阶系统性能的改善86

3.4高阶系统的时域分析88

3.4.1高阶系统单位阶跃响应特性88

3.4.2高阶系统的几个重要概念89

3.5控制系统的稳定性及代数稳定判据93

3.5.1稳定性的基本概念93

3.5.2线性定常系统稳定的充分必要条件94

3.5.3劳斯（Routh ）稳定性判据94

3.5.4劳斯判据的应用98

3.6控制系统的稳态特性—稳态误差分析100

3.6.1稳态误差和控制系统类型100

3.6.2稳态误差系数和稳态误差的计算101

3.6.3动态误差系数104

3.6.4扰动稳态误差106

3.6.5减小稳态误差的方法108

3.7线性系统时域分析的MATLAB仿真方法111

小结115

习题116

第4章根轨迹法120

4.1根轨迹法的基本概念120

4.1.1根轨迹的定义120

4.1.2根轨迹的幅值和辐角条件121

4.2根轨迹的绘制122

4.2.1绘制根轨迹的基本法则122

4.2.2常规180°根轨迹绘制举例131

4.3非典型形式系统根轨迹的绘制135

4.3.1零度根轨迹135

4.3.2广义根轨迹138

4.4基于根轨迹法的系统性能分析139

4.4.1开环零、极点对根轨迹的影响140

4.4.2在根轨迹上确定闭环特征根141

4.4.3用根轨迹确定系统的性能143

4.4.4用根轨迹确定系统的参数145

4.5用MATLAB绘制根轨迹148

4.5.1绘制根轨迹148

4.5.2确定根轨迹上闭环极点相对应的根轨迹放大系数150

4.5.3零度根轨迹的绘制151

小结153

习题153

第5章自动控制系统的频域分析法157

5.1频率特性157

5.1.1频率特性的基本概念157

5.1.2频率特性的性质159

5.2幅相频率特性160

5.2.1幅相频率特性的表示160

5.2.2典型环节的幅相频率特性161

5.2.3开环系统的幅相频率特性165

5.3对数频率特性170

5.3.1对数频率特性的表示170

5.3.2基本环节的伯德图171

5.3.3开环控制系统的伯德图177

5.3.4最小相位系统180

5.3.5传递函数的频域实验确定181

5.4频域中的稳定性判据184

5.4.1辐角定理184

5.4.2奈氏稳定性判据185

5.4.3对数频率稳定判据188

5.4.4奈氏判据应用举例189

5.4.5系统的稳定裕量193

5.5开环频率特性分析195

5.5.1基于伯德图的系统稳态性能分析195

5.5.2频率特性的两个基本关系196

5.5.3低频段和高频段特性斜率的影响198

5.5.4？（或开环放大系数K）对相位裕量的影响199

5.5.5开环频率特性与时域性能指标的关系203

5.6闭环系统频率特性205

5.6.1闭环频率特性与开环频率特性的关系205

5.6.2闭环系统频率特性及其与暂态特性指标的关系206

5.6.3闭环系统等M图、等？图及尼氏图208

5.6.4非单位反馈系统的闭环频率特性212

5.7线性系统频域分析的MATLAB方法212

小结218

习题219

第6章控制系统的校正及综合222

6.1控制系统校正的一般概念222

6.1.1校正的概念222

6.1.2校正的基本方式222

6.2串联校正224

6.2.1串联超前校正224

6.2.2串联滞后校正229

6.2.3串联滞后-超前校正234

6.2.4按期望特性的串联校正237

6.3 PID控制器242

6.3.1比例（P）控制器242

6.3.2比例微分（PD）控制器243

6.3.3积分（I）控制器244

6.3.4比例积分（PI）控制器245

6.3.5比例积分微分（PID）控制器246

6.4反馈校正246

6.4.1反馈的作用246

6.4.2反馈校正装置的设计248

6.5复合校正252

6.5.1按扰动补偿的复合校正252

6.5.2按输入补偿的复合校正253

小结254

习题254

第7章线性离散系统的理论基础257

7.1线性离散控制系统概述257

7.2采样过程和采样定理262

7.2.1采样过程及其数学描述262

7.2.2采样定理及采样周期的选择267

7.2.3信号的保持及保持器268

7.3Z变换法271

7.3.1Z变换的定义271

7.3.2Z变换的方法272

7.3.3Z变换的基本定理275

7.3.4Z反变换280

7.4采样控制系统的数学模型284

7.4.1线性常系数差分方程及其解法284

7.4.2脉冲传递函数287

7.5离散控制系统的性能分析297

7.5.1离散控制系统的稳定性分析297

7.5.2离散控制系统的暂态特性分析302

7.5.3离散控制系统的稳态误差分析306

7.6离散控制系统的设计311

7.6.1最少拍系统设计312

7.6.2数字PID算法316

7.7MATLAB在离散控制系统中的应用318

7.7.1应用于离散系统的MATLAB基本函数介绍318

7.7.2连续系统的离散化319

7.7.3求离散系统的时域响应319

7.7.4离散系统的稳定性分析320

小结321

习题322

第8章非线性系统分析324

8.1非线性系统概述324

8.1.1典型非线性特性324

8.1.2非线性系统的特点326

8.2描述函数法327

8.2.1描述函数的基本概念327

8.2.2典型非线性特性的描述函数329

8.2.3描述函数法分析非线性系统336

8.3相平面法343

8.3.1相轨迹的特征344

8.3.2相轨迹的绘制351

8.3.3非线性系统的相平面分析354

8.3.4利用MATLAB分析非线性控制系统361

小结368

习题370

附录A常用时间函数的拉氏变换及Z变换对照表374

参考文献376