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第一章 自动控制概论1

1.1 引言1

1.1.1 自动控制理论及应用1

1.1.2 自动控制理论发展简史1

目录1

1.2 自动控制系统的分类2

1.2.1 按自动控制方式分类2

1.2.2 按输入信号特征分类4

1.2.3 按所使用的数学方法分类6

1.3.2 动态性能8

1.3.3 稳态性能8

习题8

1.3.1 稳定性8

1.3 对控制系统的基本要求8

第二章 控制系统的数学模型10

2.1 引言10

2.2 运用微分方程建立数学模型10

2.2.1 电路系统11

2.2.2 机械系统12

2.2.3 热工系统13

2.2.4 其他系统14

2.2.5 运用微分方程建立数学模型的特点16

2.2.6 线性系统微分方程的通用形式17

2.3 线性系统的传递函数17

2.3.1 传递函数的定义18

2.3.2 典型环节的传递函数21

2.4 控制系统的结构图25

2.5.1 信号流图37

2.5 信号流图与梅森公式37

2.5.2 信号流图的绘制38

2.5.3 梅森公式40

习题45

第三章 线性系统的时域分析法48

3.1 系统时间响应的性能指标48

3.1.1 典型输入信号48

3.1.2 控制系统的时域性能指标49

3.2 一阶系统的时域分析50

3.2.1 一阶系统的数学模型50

3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应51

3.2.3 一阶系统的单位脉冲响应52

3.2.4 一阶系统的单位斜坡响应52

3.2.5 一阶系统的单位加速度响应53

3.3.1 二阶系统的数学模型54

3.3 二阶系统的时域分析54

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应55

3.3.3 欠阻尼二阶系统的动态过程分析57

3.3.4 过阻尼二阶系统的动态性能指标60

3.3.5 二阶系统的单位脉冲响应61

3.3.6 二阶系统的单位斜坡响应63

3.3.7 二阶系统的性能改善65

3.3.8 初始条件不为零的二阶系统响应67

3.4 高阶系统的时域分析67

3.4.1 高阶系统的阶跃响应68

3.4.2 闭环主导极点69

3.4.3 高阶系统性能指标估算69

3.5.2 线性系统稳定的充要条件71

3.5.1 稳定性概念及定义71

3.5 线性系统的稳定性分析71

3.5.3 线性系统的代数判据72

3.6 线性系统的稳态误差75

3.6.1 误差的基本概念75

3.6.2 系统类型76

3.6.3 扰动作用下的误差82

3.6.4 提高系统控制精度的措施84

习题86

第四章 根轨迹法90

4.1 根轨迹概念90

4.2 根轨迹方程91

4.3 绘制根轨迹的基本法则92

4.3.1 绘制根轨迹的基本法则92

4.3.2 闭环极点的确定100

4.4 广义根轨迹101

4.4.1 参数根轨迹101

4.4.2 零度根轨迹103

4.5 附加开环零点的作用106

4.6 系统性能分析与估算109

4.6.1 主导极点、偶极子及时间响应109

4.6.2 系统性能的定量估算及定性分析110

习题114

第五章 频率响应分析法117

5.1 频率特性的基本概念117

5.1.1 频率特性的定义117

5.1.2 频率特性的几何表示120

5.2 典型环节的频率特性121

5.2.2 积分环节122

5.2.1 比例环节122

5.2.3 微分环节123

5.2.4 惯性环节124

5.2.5 一阶微分环节126

5.2.6 振荡环节127

5.2.7 二阶微分环节129

5.2.8 延时环节130

5.3 系统开环频率特性的绘制131

5.3.1 开环幅相曲线的绘制131

5.3.2 开环对数频率特性曲线的绘制134

5.3.3 最小相位系统和非最小相位系统136

5.4 频率域稳定判据138

5.4.1 奈氏判据的数学基础138

5.4.2 奈奎斯特稳定判据140

5.4.3 开环系统含有积分环节时奈氏判据的应用142

5.4.4 对数频率稳定判据146

5.5 稳定裕度147

5.5.1 幅值裕度和相位裕度148

5.5.2 应用举例150

5.6 系统的闭环频率特性154

5.6.1 开环频率特性与闭环频率特性的关系154

5.6.2 尼科尔斯图线155

5.6.3 非单位反馈系统的闭环频率特性158

5.7 频域性能指标和时域性能指标的关系159

5.7.1 典型二阶系统159

5.7.2 高阶系统160

习题161

6.1.1 性能指标165

6.1 系统校正的一般概念165

第六章 线性系统的校正方法165

6.1.2 系统带宽的选择167

6.1.3 校正方式168

6.1.4 基本控制规律169

6.2 频率法串联校正172

6.2.1 串联超前校正172

6.2.2 串联滞后校正177

6.2.3 串联滞后—超前校正182

6.2.4 校正装置的实现185

6.2.5 串联综合法校正186

6.2.6 串联工程设计方法192

6.3 频率法反馈校正194

6.3.1 反馈校正的原理与功能195

6.3.2 综合法反馈校正197

6.4 控制系统的复合校正200

6.4.1 按扰动补偿的复合校正200

6.4.2 按输入补偿的复合校正202

习题209

第七章 线性离散系统213

7.1 离散系统的基本概念213

7.1.1 离散系统的特点213

7.1.2 采样开关的工作方式214

7.2 采样过程和采样定理214

7.2.1 采样过程214

7.2.2 采样定理215

7.2.3 采样周期的选择217

7.3 信号恢复与信号保持218

7.3.1 零阶保持器219

7.3.2 一阶保持器220

7.4 Z变换理论221

7.4.1 Z变换的定义221

7.4.2 Z变换的求法222

7.4.3 Z变换的性质225

7.4.4 Z反变换227

7.5 线性离散系统的脉冲传递函数230

7.5.1 脉冲传递函数的定义230

7.5.2 开环系统的脉冲传递函数231

7.5.3 闭环系统的脉冲传递函数232

7.6 线性离散系统的稳定性与稳态误差234

7.6.1 离散系统的稳定条件234

7.6.2 离散系统的稳定性判据235

7.6.3 线性离散系统的稳态误差236

7.7 动态响应与闭环零、极点分布的关系240

7.8 线性离散系统的数字校正243

7.8.1 用根轨迹法综合数字校正装置244

7.8.2 数字校正装置的实现244

7.9 最少拍离散控制系统的分析与设计246

7.9.1 最少拍系统的闭环脉冲传递函数246

7.9.2 最少拍系统的设计247

小结251

习题252

第八章 非线性控制系统256

8.1 概述256

8.1.1 典型的非线性特性256

8.1.2 非线性系统的若干特征257

8.1.3 非线性系统的研究方法258

8.2.1 描述函数的定义259

8.2 描述函数法259

8.2.2 典型非线性特性的描述函数260

8.2.3 组合非线性特性的描述函数265

8.2.4 非线性系统的稳定性267

8.2.5 周期运动的稳定性268

8.3 相平面法274

8.3.1 相平面法的概念274

8.3.2 相轨迹的性质274

8.3.3 相平面图的绘制方法275

8.3.4 线性系统的相轨迹278

8.3.5 奇点和奇线282

8.3.6 由相平面图求系统运动的时间响应284

8.3.7 非线性系统的相平面分析286

习题293

9.1.1 基本概念297

第九章 线性定常系统的状态空间分析与综合297

9.1 线性系统的状态空间表达式297

9.1.2 状态空间表达式的建立300

9.1.3 状态向量的线性变换308

9.1.4 传递函数矩阵315

9.2 控制系统状态空间表达式的解317

9.2.1 线性定常连续系统齐次状态方程的解317

9.2.2 状态转移矩阵的基本性质318

9.2.3 状态转移矩阵的求法318

9.2.4 线性定常系统非齐次方程的解323

9.2.5 离散动态方程及其求解324

9.3 控制系统的能控性与能观性327

9.3.1 能控性与能观性问题的提出327

9.3.2 能控性定义及其判别准则328

9.3.3 线性系统能观性定义及判据334

9.3.4 能控性、能观性与传递函数（矩阵）的关系337

9.3.5 对偶原理339

9.3.6 能控标准型和能观标准型339

9.3.7 线性定常系统的规范分解342

9.4 李雅普诺夫稳定性分析345

9.4.1 李雅普诺夫关于稳定性的定义345

9.4.2 李雅普诺夫第一法（间接法）347

9.4.3 李雅普诺夫第二法（直接法）349

9.5 状态反馈和线性系统校正352

9.5.1 利用状态反馈对系统进行校正352

9.5.2 输出到输入的反馈356

9.5.3 输出到状态向量导数？的反馈与极点配置356

9.5.4 系统镇定问题358

9.6 系统解耦问题359

9.6.1 解耦的概念359

9.6.2 用前馈补偿法实现解耦360

9.6.3 状态反馈解耦361

9.7 状态观测器363

9.7.1 全维状态观测器363

9.7.2 降维状态观测器364

9.8 带状态观测器的闭环控制系统367

9.8.1 系统的结构与状态空间表达式367

9.4.2 闭环系统的基本特性367

习题369

附录：常用函数的拉氏变换表374

参考文献376