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第1章 自动控制系统概述1

1.1 自动控制的基本原理2

1.1.1 自动控制问题的引出2

1.1.2 控制方式5

1.2 自动控制系统的基本组成10

1.3 自动控制系统实例11

1.3.1 函数记录仪11

1.3.2 磁盘驱动读取系统12

1.3.3 导弹发射架方位控制13

1.3.4 机器人13

1.4 自动控制系统的分类14

1.4.1 按给定输入信号特征分类14

1.4.2 按系统模型的数学特性分类15

1.4.3 其他类型的分类16

1.5 自动控制系统的基本要求16

1.5.1 稳定性16

1.5.2 快速性17

1.5.3 准确性17

1.6 控制工程设计概论18

1.6.1 工程设计18

1.6.2 控制系统设计18

1.6.3 系统分析与设计工具MATLAB19

1.7 自动控制理论的发展概况20

1.7.1 早期的自动控制21

1.7.2 经典控制理论21

1.7.3 现代控制理论22

1.8 小结22

1.9 习题23

第2章 控制系统的数学模型27

2.1 控制系统的时域数学模型27

2.1.1 线性元件的微分方程28

2.1.2 控制系统微分方程的建立33

2.1.3 线性系统的基本特性35

2.1.4 非线性系统的小偏差线性化35

2.2 线性系统的传递函数37

2.2.1 传递函数的定义和性质37

2.2.2 典型元部件的传递函数42

2.3 结构图及其等效变换48

2.3.1 结构图的组成与绘制48

2.3.2 结构图的等效变换51

2.4 信号流图及梅逊公式58

2.4.1 信号流图的组成及性质58

2.4.2 信号流图的绘制59

2.4.3 梅逊增益公式61

2.5 闭环系统传递函数64

2.6 控制系统建模的MATLAB方法65

2.7 数学模型的实验测定法67

2.8 小结68

2.9 习题69

第3章 时域分析法73

3.1 控制系统时间响应的性能指标73

3.1.1 典型输入信号73

3.1.2 时间响应过程75

3.1.3 时域性能指标75

3.2 一阶系统时域分析77

3.2.1 数学模型78

3.2.2 单位阶跃响应78

3.2.3 单位脉冲响应79

3.2.4 单位斜坡响应80

3.3 二阶系统时域分析82

3.3.1 数学模型82

3.3.2 单位阶跃响应83

3.3.3 动态性能指标计算87

3.3.4 改善二阶系统性能的常用方法95

3.4 高阶系统时域分析101

3.4.1 高阶系统的阶跃响应101

3.4.2 闭环主导极点和动态性能分析105

3.5 稳定性分析107

3.5.1 稳定的概念和定义107

3.5.2 稳定的充要条件108

3.5.3 稳定的代数判据109

3.6 稳态误差分析115

3.6.1 误差与稳态误差116

3.6.2 给定信号作用下的稳态误差计算117

3.6.3 扰动作用下的稳态误差计算121

3.6.4 提高控制精度的措施123

3.7 小结126

3.8 习题127

第4章 根轨迹分析法133

4.1 根轨迹的基本概念133

4.1.1 根轨迹图133

4.1.2 闭环零极点与开环零极点的关系135

4.1.3 根轨迹方程137

4.2 根轨迹的绘制法则138

4.3 其他形式的根轨迹151

4.3.1 参数根轨迹151

4.3.2 零度根轨迹153

4.4 基于MATLAB的根轨迹图绘制156

4.5 根轨迹分析158

4.5.1 闭环零极点与时间响应158

4.5.2 系统性能的定性分析159

4.6 小结165

4.7 习题166

第5章 基本控制律与机器人关节角控制分析170

5.1 基本控制律分析171

5.1.1 比例（P）控制171

5.1.2 比例-微分（PD）控制171

5.1.3 比例-积分（PI）控制172

5.1.4 比例-积分-微分（PID）控制173

5.2 线性系统时域仿真的MATLAB方法176

5.2.1 基于脚本文件的仿真176

5.2.2 基于模型文件的仿真178

5.3 PID控制器的参数整定182

5.3.1 衰减曲线法182

5.3.2 稳定边界法183

5.3.3 其他方法183

5.4 机器人关节角控制系统设计与分析184

5.4.1 某ARMⅡ电动肩关节角控制系统185

5.4.2 PID控制律设计186

5.4.3 斜坡型输入指令响应189

5.5 小结190

5.6 习题191

第6章 频域分析法193

6.1 频率特性193

6.1.1 频率特性的基本概念193

6.1.2 频率特性的图形表示196

6.2 典型环节的频率特性199

6.2.1 比例环节199

6.2.2 积分环节和微分环节199

6.2.3 惯性环节和一阶微分环节201

6.2.4 振荡环节与二阶微分环节203

6.2.5 延迟环节206

6.3 开环系统频率特性图绘制207

6.3.1 开环伯德图的绘制207

6.3.2 开环极坐标图的近似绘制211

6.3.3 最小相位系统214

6.4 频域稳定性判据217

6.4.1 幅角原理217

6.4.2 奈奎斯特稳定性判据219

6.5 稳定裕度225

6.5.1 相位裕度225

6.5.2 幅值裕度226

6.6 闭环频率特性228

6.7 基于MATLAB的频率特性图绘制229

6.8 频率特性分析232

6.8.1 三频段的概念232

6.8.2 开环频域指标与时域指标的关系233

6.8.3 闭环频域指标与时域指标的关系235

6.9 小结237

6.10 习题238

第7章 控制系统的综合与校正242

7.1 系统校正的基本概念242

7.1.1 性能指标243

7.1.2 校正方式243

7.1.3 校正设计方法245

7.2 常用串联校正装置及其特性246

7.2.1 超前校正网络246

7.2.2 滞后校正网络249

7.2.3 滞后-超前校正网络252

7.3 串联校正的频域法设计254

7.3.1 串联超前校正设计254

7.3.2 串联滞后校正设计260

7.3.3 串联滞后-超前设计265

7.3.4 期望开环对数幅频特性设计法268

7.4 反馈校正与复合校正269

7.4.1 反馈校正的原理与特点269

7.4.2 复合校正272

7.5 小结275

7.6 习题275

第8章 非线性系统279

8.1 控制系统的非线性特性279

8.1.1 典型的非线性特性279

8.1.2 非线性系统的若干特征281

8.1.3 非线性控制系统的分析与设计方法283

8.2 描述函数法283

8.2.1 描述函数定义283

8.2.2 典型非线性特性的描述函数285

8.2.3 非线性系统描述函数法分析288

8.3 相平面法291

8.3.1 相平面法的基本概念291

8.3.2 相平面图的绘制292

8.3.3 相轨迹的基本特性294

8.3.4 非线性系统的相平面法分析296

8.4 非线性系统分析的MATLAB方法299

8.5 小结301

8.6 习题302

第9章 离散控制系统304

9.1 离散控制系统基本概念304

9.1.1 采样控制系统304

9.1.2 数字控制系统305

9.1.3 离散控制系统的特点306

9.2 信号采样和复现306

9.2.1 信号采样306

9.2.2 采样信号频谱分析307

9.2.3 香农采样定理308

9.2.4 信号复现308

9.3 z变换及反变换310

9.3.1 z变换定义310

9.3.2 z变换的求法311

9.3.3 z变换的性质312

9.3.4 z反变换313

9.4 离散系统的数学模型315

9.4.1 差分方程315

9.4.2 脉冲传递函数316

9.5 离散控制系统性能分析323

9.5.1 离散控制系统的稳定性323

9.5.2 离散控制系统的稳态误差327

9.5.3 离散系统动态性能330

9.6 线性离散系统分析的MATLAB方法332

9.7 小结335

9.8 习题335

附录A 拉氏变换概述337

A.1 拉普拉斯变换的定义337

A.2 几种典型函数的拉氏变换337

A.2.1 单位阶跃函数l（t）的拉氏变换337

A.2.2 指数函数f（t）＝e-at的拉氏变换338

A.2.3 正弦函数与余弦函数的拉氏变换338

A.2.4 单位脉冲函数δ（t）的拉氏变换339

A.2.5 单位斜坡函数的拉氏变换339

A.2.6 单位加速度函数的拉氏变换340

A.3 拉氏变换的主要定理340

A.3.1 叠加定理341

A.3.2 微分定理341

A.3.3 积分定理341

A.3.4 复数位移定理342

A.3.5 终值定理342

A.4 拉普拉斯反变换344

A.5 应用拉氏变换解线性微分方程347

附录B 精选习题详解349

B.1 第1章 习题349

B.2 第2章 习题350

B.3 第3章 习题352

B.4 第4章 习题355

B.5 第6章 习题357

B.6 第7章 习题361

B.7 第8章 习题362

B.8 第9章 习题365

参考文献368