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1绪论1

1.1引言1

1.2自动控制的基本概念3

人工控制与自动控制3

开环控制系统4

闭环控制系统6

自动控制系统的特征和定义7

1.3自动控制系统的组成8

基本组成部分8

自动控制系统中常用的名词术语8

1.4自动控制系统的分类9

按输入信号的特征分类9

按描述元件的动态方程分类10

按信号的传递是否连续分类10

按系统的参数是否随时间而变化分类10

1.5自动控制系统的应用实例10

蒸汽机转速自动控制系统10

炉温自动控制系统11

导弹发射架的方位控制系统12

船舶随动舵的控制系统13

火炮、雷达天线的方位控制系统14

1.6对自动控制系统的基本要求及本课程的研究内容15

对自动控制系统的基本要求15

本课程的研究内容16

1.7计算机辅助设计与仿真工具MATLAB软件简介16

MATLAB的操作界面简介18

MATLAB中的命令和函数19

MATLAB中的常量和变量21

MATLAB中的运算符21

绘制响应曲线24

SIMULINK简介25

本章小结29

习题29

2自动控制系统的数学模型32

2.1控制系统的微分方程32

线性元件的微分方程32

微分方程的增量化表示35

非线性微分方程的线性化36

线性系统微分方程的编写36

2.2传递函数38

传递函数的概念和定义38

用复数阻抗法求电网络的传递函数41

关于传递函数的几点说明44

2.3控制系统的结构图及其等效变换50

结构图的基本概念50

结构图的组成和建立51

2.4自动控制系统的传递函数59

系统的开环传递函数59

闭环系统的传递函数59

闭环系统的偏差传递函数60

2.5信号流图61

信号流图采用的一些符号及术语62

信号流图的等效变换法则62

梅逊公式及其应用举例64

本章小结66

习题66

3自动控制系统的时域分析71

3.1稳定性和代数稳定判据71

稳定的概念和线性系统稳定的充要条件71

劳斯稳定判据72

劳斯稳定判据的应用74

3.2典型输入信号和阶跃响应性能指标79

典型输入信号80

阶跃响应性能指标81

3.3一阶系统的动态性能指标82

一阶系统的瞬态响应82

一阶系统的动态性能指标84

3.4二阶系统的动态性能指标84

二阶系统的瞬态响应84

二阶系统的动态性能指标89

二阶系统动态性能指标与系统参数的关系93

3.5高阶系统的时域分析99

闭环系统主导极点99

高阶系统的主导极点分析100

3.6稳态误差分析101

稳态误差的定义101

控制系统的型别102

给定输入信号作用下系统的稳态误差103

扰动输入作用下系统的稳态误差106

提高稳态精度的措施109

3.7控制系统时域分析的MATLAB实现112

控制系统单位阶跃响应112

控制系统单位冲激响应115

系统在其他输入下控制系统时域响应116

应用Simulink分析系统的时域响应119

本章小结121

习题121

4自动控制系统的根轨迹分析法126

4.1根轨迹分析法概述126

根轨迹的概念126

绘制根轨迹的相角条件和辐值条件127

4.2根轨迹的绘制方法129

根轨迹的分支数129

根轨迹的连续性和对称性129

根轨迹的起点（k＝0）和终点（k＝∝）129

实轴上的根轨迹129

根轨迹的渐近线130

根轨迹的分离点131

根轨迹的起始角与终止角132

根轨迹与虚轴的交点133

4.3根轨迹分析在MATLAB中的实现138

绘制系统零极点图的函数pzmap（）138

绘制系统根轨迹的函数rlocus（）139

求取根轨迹上指定点处的增益函数rolcfind（）142

本章小结143

习题144

5自动控制系统的频率特性分析法147

5.1频率特性的基本概念147

频率特性的定义147

频率特性的求取方法150

频率特性的图示方法151

5.2典型环节的频率特性155

比例环节155

积分环节156

微分环节157

惯性环节158

一阶微分环节160

振荡环节161

二阶微分环节163

延迟环节164

非最小相位环节165

5.3系统的开环频率特性166

系统开环幅相频率特性的绘制167

系统开环对数频率特性的绘制170

5.4奈奎斯特稳定判据177

辅助函数和奈奎斯特稳定判据177

奈奎斯特稳定判据在Ⅰ型和Ⅱ型中的应用179

在伯德图上判别闭环系统的稳定性184

多回路系统的稳定性分析185

5.5稳定裕度186

相角裕度186

幅值裕度187

5.6利用开环频率特性分析系统性能190

L（ω）低频渐近线与系统稳态误差的关系190

L（ω）中频段的斜率与系统稳定性的关系192

开环频率特性和系统动态性能的关系195

L（ω）的高频段对系统性能的影响199

结论200

本章小结200

习题201

6自动控制系统的校正205

6.1自动控制系统性能改善概述205

自动控制系统校正的概念205

校正的实质205

校正方案的确定206

系统性能指标的确定207

6.2提高系统准确性的校正方法207

引入输入补偿方法207

引入扰动补偿方法208

6.3改善系统动态性能的校正方法208

引入速度负反馈的系统校正方法208

引入串联校正装置的系统校正方法209

反馈校正方法222

6.4PID调节器225

PID的基本控制作用225

PID控制器的参数确定228

6.5MATLAB在系统稳定性分析中的应用230

根据闭环系统的极点（特征根）判定系统的稳定性230

利用根轨迹判断系统的稳定性231

利用频率特性判定系统的稳定性232

计算相角裕度和幅值裕度234

本章小结235

习题236

附录238

附录Ⅰ 常用函数拉氏变换表238

附录Ⅱ 拉氏变换的一些定理239

附录Ⅲ MATLAB函数命令索引表240