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第1章 绪论1

1.1 自动控制技术及其应用2

1.2 自动控制系统的一般概念4

1.2.1 自动控制的基本原理4

1.2.2 自动控制系统的组成5

1.3 自动控制系统的基本控制方式7

1.3.1 开环控制系统7

1.3.2 闭环控制系统7

1.3.3 复合控制系统8

1.4 自动控制系统的分类8

1.4.1 按系统输入信号形式划分8

1.4.2 按系统微分方程形式划分9

1.4.3 按系统参数与时间的关系划分9

1.4.4 按系统信号形式划分9

1.4.5 按系统控制作用点个数划分9

1.5 自动控制理论发展简史10

1.6 自动控制系统的基本要求11

1.6.1 稳定性12

1.6.2 暂态性能12

1.6.3 稳态性能12

1.7 自动控制系统分析与设计工具13

1.8 全书章节结构13

习题14

第2章 系统的数学模型17

2.1 系统的微分方程17

2.1.1 电路系统17

2.1.2 机电系统18

2.1.3 机械系统19

2.1.4 非线性方程的线性化19

2.2 传递函数20

2.2.1 拉普拉斯变换20

2.2.2 传递函数的定义21

2.3 框图模型25

2.3.1 框图的构成及绘制25

2.3.2 框图的变换规则26

2.4 信号流图模型32

2.4.1 信号流图的绘制33

2.4.2 梅森增益公式34

2.4.3 闭环系统的传递函数37

2.5 控制系统建模的MATLAB方法39

习题42

第3章 线性系统的时域分析法48

3.1 时域分析的基础48

3.1.1 典型输入信号48

3.1.2 系统的动态性能指标49

3.2 一阶系统的时域分析51

3.2.1 一阶系统的数学模型51

3.2.2 单位阶跃响应52

3.2.3 单位脉冲响应52

3.2.4 单位斜坡响应53

3.3 二阶系统的时域分析54

3.3.1 二阶系统的数学模型54

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应54

3.3.3 欠阻尼二阶系统的动态过程分析56

3.4 高阶系统的时域响应59

3.4.1 高阶系统的单位阶跃响应59

3.4.2 高阶系统的二阶近似61

3.5 线性系统的稳定性分析61

3.5.1 稳定的概念61

3.5.2 系统的稳定性判据62

3.6 线性系统的稳态误差计算66

3.6.1 计算稳态误差的一般方法67

3.6.2 系统类型及静态误差系数法68

3.6.3 动态误差系数法72

3.6.4 扰动作用下的稳态误差72

3.6.5 减小和消除稳态误差的措施74

3.7 基于MATLAB的时域分析75

习题79

第4章 线性系统的根轨迹法82

4.1 根轨迹的基本概念82

4.2 根轨迹方程83

4.3 根轨迹的绘制与动态特性85

4.3.1 绘制根轨迹的基本法则85

4.3.2 根轨迹与系统的动态特性95

4.4 广义根轨迹法97

4.4.1 参数根轨迹97

4.4.2 零度根轨迹99

4.5 基于MATLAB的根轨迹分析101

习题103

第5章 频域分析法106

5.1 频率特性概述106

5.1.1 线性系统在正弦信号作用下的稳态输出106

5.1.2 线性系统的频率特性107

5.1.3 频率特性的几何表示方法107

5.1.4 系统频率特性与典型环节频率特性的关系108

5.2 Nyquist图的绘制109

5.2.1 比例环节109

5.2.2 积分环节110

5.2.3 惯性环节110

5.2.4 振荡环节112

5.2.5 微分环节113

5.2.6 一阶微分环节114

5.2.7 二阶微分环节115

5.2.8 延迟环节115

5.2.9 系统Nyquist图绘制举例116

5.3 Bode图的绘制118

5.3.1 比例环节118

5.3.2 积分环节118

5.3.3 微分环节119

5.3.4 惯性环节119

5.3.5 一阶微分环节120

5.3.6 振荡环节122

5.3.7 二阶微分环节123

5.3.8 延时环节124

5.3.9 系统Bode图的绘制方法125

5.3.10 最小相位系统的Bode图129

5.4 Nyquist稳定判据及其扩展131

5.4.1 稳定判据分析对象函数131

5.4.2 辐角定理131

5.4.3 Nyquist稳定判据132

5.4.4 Nyquist稳定判据扩展135

5.5 系统的相对稳定性和稳定裕度139

5.5.1 相位裕度139

5.5.2 幅值裕度140

5.6 频域指标与系统性能的关系142

5.6.1 闭环频率特性142

5.6.2 频域指标与系统性能的关系142

5.7 MATLAB的频域分析应用145

习题147

第6章 控制系统的校正150

6.1 校正问题的提出和一般方法150

6.1.1 校正问题的提出150

6.1.2 校正的一般方法151

6.1.3 基于频域分析法的校正思想152

6.2 PID控制器简述153

6.2.1 比例控制器153

6.2.2 比例微分控制器155

6.2.3 积分控制器156

6.2.4 比例积分控制器156

6.2.5 比例积分微分控制器157

6.3 串联超前校正157

6.3.1 超前校正元件特性157

6.3.2 超前校正元件设计158

6.3.3 串联超前校正对系统的影响161

6.4 串联滞后校正162

6.4.1 滞后校正元件特性162

6.4.2 滞后校正元件设计163

6.4.3 串联滞后校正对系统的影响164

6.5 串联滞后－超前校正164

6.6 MATLAB在系统校正中的应用166

习题168

第7章 线性离散系统分析170

7.1 线性离散系统的基本概念170

7.2 信号的采样与保持171

7.2.1 采样过程171

7.2.2 信号保持175

7.3 z变换177

7.3.1 z变换定义177

7.3.2 z变换方法178

7.3.3 z逆变换方法180

7.3.4 脉冲传递函数183

7.3.5 线性离散系统的开环脉冲传递函数184

7.3.6 z变换法的局限性190

7.4 离散系统的稳定性分析191

7.4.1 离散系统稳定的充分必要条件192

7.4.2 劳斯稳定判据192

7.4.3 线性离散系统的时域分析195

7.4.4 线性离散系统的稳态误差196

7.5 基于MATLAB的线性离散系统分析198

习题202

第8章 非线性控制系统分析206

8.1 非线性控制系统概述206

8.1.1 典型非线性环节206

8.1.2 非线性系统特征208

8.1.3 非线性系统分析方法209

8.2 描述函数法209

8.2.1 描述函数定义209

8.2.2 典型非线性特性的描述函数210

8.2.3 非线性特性描述函数简化214

8.2.4 描述函数法应用条件215

8.2.5 应用描述函数分析非线性系统216

8.3 相平面法218

8.3.1 相平面法概念218

8.3.2 相轨迹绘制方法219

8.3.3 奇点222

8.3.4 非线性系统相平面分析224

8.4 非线性控制系统MATLAB设计227

习题231

第9章 线性系统的状态空间分析235

9.1 线性系统状态空间描述235

9.1.1 系统状态空间描述的基本概念235

9.1.2 状态空间表达式的建立236

9.1.3 状态空间表达式的线性变换241

9.1.4 从状态空间表达式求传递函数阵245

9.1.5 状态空间表达式解248

9.1.6 线性离散时间系统状态空间表达式建立及其解251

9.2 线性系统的能控性和能观性254

9.2.1 线性定常连续系统的能控性与能观性254

9.2.2 线性定常离散系统的能控性与能观性258

9.2.3 线性定常系统能控性与能观性的对偶关系259

9.2.4 线性定常系统的能控标准型和能观标准型260

9.2.5 线性定常系统的结构分解264

9.3 线性定常系统反馈及状态观测器268

9.3.1 线性反馈控制系统的基本结构及其特性268

9.3.2 极点配置269

9.3.3 全维状态观测器271

9.4 李雅普诺夫稳定性方法273

9.4.1 李雅普诺夫稳定性定义273

9.4.2 李雅普诺夫第一法274

9.4.3 李雅普诺夫第二法276

9.4.4 线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析278

9.5 基于MATLAB的状态空间分析280

习题282

附录287

附录A 常用函数的拉普拉斯变换表和z变换表287

附录B 本书常用MATLAB命令及工具287

参考文献295