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第一章 概论1

1.1控制理论发展综述1

1.2自动控制系统的结构2

1.2.1开环控制系统2

1.2.2闭环控制系统3

1.3反馈控制系统的组成和术语5

1.4自动控制系统分类6

1.4.1线性控制系统和非线性控制系统7

1.4.2恒值控制系统和随动系统7

1.4.3连续控制系统和离散控制系统7

1.5对控制系统的性能要求和本课程的任务7

1.5.1对控制系统性能的要求7

1.5.2本课程的基本内容和要求8

习题8

第二章 控制系统的数学模型11

2.1拉普拉斯变换11

2.1.1拉普拉斯变换的定义和存在定理11

2.1.2几种典型函数的拉氏变换12

2.1.3拉普拉斯变换的性质15

2.1.4有理分式函数的拉普拉斯反变换16

2.1.5用拉普拉斯变换求解微分方程19

2.2系统输入-输出的传递函数描述20

2.3典型环节传递函数的数学模型23

2.3.1比例环节23

2.3.2一阶环节23

2.3.3积分和微分环节24

2.3.4二阶环节24

2.3.5时滞环节24

2.4用方块图表示的模型25

2.5信号流程图与梅淼公式29

2.6状态空间模型简介34

2.6.1状态、状态变量及状态空间方程35

2.6.2线性定常控制系统的状态方程描述36

2.6.3线性定常系统状态空间表达式的结构图和信号流程图37

2.6.4传递函数与状态空间方程之间关系37

2.7数学模型的MATLAB描述38

2.7.1连续系统数学模型的MATLAB表示38

2.7.2离散系统数学模型的MATLAB表示41

2.7.3控制系统的建模42

2.7.4 Simulink建模方法——复杂系统的模型处理方法43

小结45

习题46

第三章 控制系统的时域分析法48

3.1线性系统的稳定性48

3.1.1稳定性的基本概念48

3.1.2线性系统的稳定性48

3.1.3线性系统稳定的充分必要条件49

3.1.4劳斯-赫尔维茨稳定判据49

3.2线性系统稳定性的MATLAB判定方法56

3.3控制系统的静态误差58

3.3.1典型输入信号58

3.3.2静态误差和误差传递函数59

3.3.3静态误差系数59

3.3.4动态误差61

3.4控制系统的暂态响应性能指标63

3.5一阶系统暂态响应64

3.5.1一阶系统的单位阶跃响应64

3.5.2一阶系统的单位脉冲响应65

3.5.3线性定常系统的重要特性65

3.6二阶系统的暂态响应65

3.6.1二阶系统的单位阶跃响应66

3.6.2二阶系统的暂态响应指标70

3.6.3二阶系统的脉冲响应72

3.7高阶系统的暂态响应74

3.8用MATLAB进行暂态响应分析75

3.8.1线性系统的MATLAB表示75

3.8.2传递函数系统单位阶跃响应的求法76

3.8.3脉冲响应76

3.8.4求脉冲响应的另一种方法77

3.8.5斜坡响应77

3.8.6系统时域响应的直接求取78

小结79

习题80

第四章 根轨迹法83

4.1根轨迹图83

4.2绘制根轨迹的数学依据及其性质84

4.2.1开环传递函数的两种表达式84

4.2.2闭环特征方程的几种表达形式85

4.2.3绘制根轨迹的数学依据85

4.3绘制根轨迹的一般规则87

4.3.1绘制根轨迹规则的阐述87

4.3.2绘制根轨迹规则的列表90

4.4例题91

4.5参数根轨迹和多回路系统的根轨迹97

4.5.1参数根轨迹97

4.5.2多回路系统的根轨迹98

4.6正反馈回路和非最小相位系统根轨迹99

4.6.1正反馈回路根轨迹99

4.6.2非最小相位系统之根轨迹100

小结101

习题101

第五章 频率响应法104

5.1频率特性104

5.1.1由传递函数求系统的频率响应104

5.1.2由实验方法求频率特性106

5.1.3频率特性的基本概念106

5.2极坐标图108

5.2.1典型环节的奈奎斯特曲线109

5.2.2开环系统的奈奎斯特图112

5.3对数坐标图116

5.3.1典型环节的伯德图117

5.3.2开环系统的伯德图123

5.3.3最小相位系统与非最小相位系统124

5.3.4系统开环对数幅频特性与闭环稳态误差的关系126

5.4奈奎斯特稳定判据128

5.4.1辐角原理129

5.4.2奈奎斯特稳定判据130

5.4.3奈奎斯特稳定性判据的进一步说明132

5.5相对稳定性分析136

5.5.1用奈奎斯特图表示相位裕量和幅值裕量136

5.5.2用伯德图表示相位裕量和幅值裕量137

5.5.3对数幅频特性中频段与系统动态性能的关系140

5.6频域性能指标与时域性能指标间的关系142

5.6.1开环频率特性中相位裕量与时域性能指标的关系142

5.6.2闭环频率特性及其特征量144

5.6.3闭环频域特性与时域响应性能指标的关系146

小结148

习题148

第六章 自动控制系统的设计153

6.1控制系统设计的基本思路153

6.2串联校正装置的结构与特性154

6.2.1超前校正154

6.2.2滞后校正157

6.2.3滞后-超前校正159

6.3基于频率法的串联校正设计161

6.3.1超前校正161

6.3.2滞后校正163

6.3.3滞后-超前校正165

6.3.4基于频率法的MATLAB串联校正设计167

6.4基于根轨迹的串联校正设计169

6.4.1超前校正169

6.4.2滞后校正177

6.4.3滞后超前校正179

6.4.4基于根轨迹的串联校正MATLAB设计181

6.5 PID校正183

6.5.1 PlD控制器工作原理184

6.5.2 Ziegler-Nichols整定公式188

6.6控制器的极点配置方法194

小结196

习题197

第七章 离散系统分析200

7.1离散系统引论200

7.2连续信号的采样与复现201

7.2.1采样过程及其数学描述201

7.2.2保持器202

7.2.3采样定理203

7.3 z变换203

7.3.1 z变换的定义203

7.3.2 z变换性质204

7.3.3 z变换方法205

7.4 z反变换207

7.5脉冲传递函数208

7.5.1脉冲传递函数的基本概念208

7.5.2串联环节的开环脉冲传递函数210

7.5.3闭环系统的脉冲传递函数212

7.6求离散系统的时域响应214

7.7离散系统的稳定性分析216

7.7.1离散系统稳定条件216

7.7.2离散系统的劳斯稳定判据217

7.8离散系统的频率特性分析218

7.9采样系统的稳态误差分析221

7.10采样控制系统的综合222

7.10.1采用连续系统的相似校正方法222

7.10.2串联数字校正装置的校正方法222

7.10.3最少拍采样控制系统的校正224

小结225

习题226

第八章 非线性系统分析228

8.1非线性系统概述228

8.1.1非线性系统数学模型228

8.1.2非线性系统与线性系统的比较228

8.1.3非线性系统研究方法229

8.1.4典型非线性环节的输入、输出特性229

8.2小范围线性近似法232

8.3相平面的概念及相轨迹作图方法234

8.3.1相平面基本概念234

8.3.2相轨迹作图方法238

8.4非线性控制系统相平面分析247

8.5非线性环节的描述函数253

8.5.1描述函数的基本概念253

8.5.2典型非线性环节的描述函数254

8.6非线性控制系统的描述函数分析258

8.6.1非线性系统的稳定性判据258

8.6.2自持振荡幅值与频率的确定259

8.6.3含典型非线性环节的控制系统分析259

小结261

习题262

第九章 MATLAB语言简介266

9.1系统仿真266

9.2 MATLAB集成环境的组成266

9.3 MATLAB的应用基础267

9.3.1基本操作及命令267

9.3.2 MATLAB函数269

9.3.3绘制响应曲线269

9.3.4 MATLAB语言的联机帮助功能271

9.4经典控制系统分析及设计272

9.4.1控制系统模型272

9.4.2时域分析274

9.4.3根轨迹法275

9.4.4频域分析275

9.4.5离散系统中常用的MATLAB函数276

9.5控制系统分析中常用的MATLAB命令和函数277

9.6 MATLAB其他相关工具279

参考文献282