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第1章 绪论 1

1.1自动控制的基本概念 1

1.2自动控制系统的组成 2

1.3自动控制系统的基本控制方式 3

1.4自动控制系统的分类 4

1.5自动控制系统的基本要求 6

1.6自动控制理论的产生及其发展 7

小结 10

习题 11

第2章 控制系统的数学模型 12

2.1微分方程 12

2.1.1微分方程的建立 12

2.1.2微分方程的增量表示 18

2.2非线性数学模型的线性化 19

2.3传递函数 21

2.3.1传递函数的定义 21

2.3.2传递函数的常用形式 24

2.3.3传递函数的特点 25

2.3.4典型环节的传递函数 26

2.4结构图 29

2.4.1结构图的概念 29

2.4.2结构图的简化 30

2.5信号流图 37

2.5.1信号流图的概念 37

2.5.2信号流图的绘制 38

2.5.3梅逊增益公式 39

2.6利用MATLAB描述和求解系统数学模型 41

2.6.1利用MATLAB描述系统数学模型 41

2.6.2利用MATLAB实现数学模型间的转换 41

2.6.3利用MATLAB化简系统数学模型 42

小结 43

习题 44

第3章 线性控制系统的时域分析法 46

3.1引言 46

3.1.1典型输入信号 46

3.1.2系统时域响应的形式 48

3.1.3系统时域响应的性能指标 49

3.2系统的稳定性 50

3.2.1稳定性的基本概念 51

3.2.2线性控制系统稳定的条件 52

3.2.3代数稳定判据 53

3.2.4系统参数对稳定性的影晌 56

3.2.5相对稳定性和稳定裕量 57

3.3系统的时域响应 58

3.3.1一阶系统的时域响应 58

3.3.2二阶系统的时域响应 59

3.3.3高阶系统的时域响应 66

3.4系统的稳态误差 69

3.4.1稳态误差的定义 69

3.4.2静态误差系数法 70

3.4.3动态误差系数法 72

3.4.4给定信号和扰动信号同时作用下的稳态误差 74

3.5基于MATLAB的控制系统时域分析 75

3.5.1利用MATLAB分析系统的稳定性 75

3.5.2利用MATLAB分析系统的动态特性 76

3.5.3利用MATLAB计算系统的稳态误差 78

小结 79

习题 79

第4章 线性控制系统的复域分析法 83

4.1引言 83

4.1.1根轨迹的基本概念 83

4.1.2根轨迹的基本条件 85

4.2常规根轨迹的绘制 86

4.2.1负反馈系统的根轨迹 86

4.2.2正反馈系统的根轨迹 94

4.3广义根轨迹的绘制 96

4.3.1单参数根轨迹 97

4.3.2多参数根轨迹 98

4.4纯迟延根轨迹的绘制 99

4.5利用根轨迹分析控制系统 103

4.5.1利用根轨迹定性分析系统 103

4.5.2利用根轨迹定量分析系统 104

4.6利用MATLAB进行根轨迹分析 107

4.6.1绘制系统根轨迹和获得根轨迹增益 107

4.6.2绘制阻尼系数和自然频率的栅格线 109

小结 110

习题 111

第5章 线性控制系统的频域分析法 114

5.1引言 114

5.1.1频率特性的基本概念 114

5.1.2频率特性的表示方法 116

5.2典型环节的频率特性 117

5.2.1比例环节 117

5.2.2积分环节 118

5.2.3微分环节 119

5.2.4一阶惯性环节 119

5.2.5一阶比例微分环节 121

5.2.6二阶振荡环节 121

5.2.7纯迟后环节 123

5.3系统的开环频率特性 124

5.3.1开环频率特性的极坐标图（Nyquist图） 124

5.3.2开环频率特性的对数坐标图（Bode图） 127

5.3.3开环频率特性的对数幅相图（Nichols图） 129

5.3.4最小相位系统 130

5.4奈奎斯特稳定判据 133

5.4.1基本原理 133

5.4.2奈奎斯特路径及其映射 135

5.4.3奈奎斯特稳定判据 136

5.4.4奈奎斯特稳定判据的推广 139

5.5控制系统的稳定裕量 140

5.5.1稳定裕量在极坐标图中的表示 140

5.5.2稳定裕量在对数坐标图中的表示 141

5.5.3稳定裕量在对数幅相图中的表示 142

5.6系统的闭环频率特性 143

5.6.1等M圆（等幅值轨迹）和等N圆（等相角轨迹） 143

5.6.2利用等M圆和等N圆求系统的闭环频率特性 145

5.6.3利用尼科尔斯图求系统的闭环频率特性 146

5.7利用频率特性对闭环系统进行分析 147

5.7.1系统频域特性与稳态性能的关系 148

5.7.2系统频域特性与时域性能的关系 148

5.8基于MATLAB的控制系统频域分析 151

5.8.1利用MATLAB绘制Bode图 151

5.8.2利用MATLAB绘制Nyquist图 152

5.8.3利用MATLAB绘制 Nichols图 153

5.8.4利用MATLAB计算系统的相角裕量和幅值裕量 153

小结 154

习题 154

第6章 线性控制系统的校正方法 158

6.1引言 158

6.1.1性能指标 158

6.1.2校正方式 158

6.2校正装置及其特性 159

6.2.1 PID控制器 159

6.2.2超前校正装置 160

6.2.3滞后校正装置 162

6.2.4滞后-超前校正装置 164

6.3频率法串联校正 165

6.3.1频率法的串联超前校正 166

6.3.2频率法的串联滞后校正 168

6.3.3频率法的串联滞后-超前校正 170

6.4根轨迹法串联校正 173

6.4.1根轨迹法的串联超前校正 173

6.4.2根轨迹法的串联滞后校正 176

6.4.3根轨迹法的串联滞后-超前校正 179

6.5反馈校正 182

6.5.1反馈校正的原理 182

6.5.2反馈校正的设计 182

6.6复合校正 183

6.6.1按输入补偿的复合校正 183

6.6.2按扰动补偿的复合校正 185

6.7基于MATLAB的控制系统校正 185

6.7.1利用MATLAB实现频率法的串联超前校正 185

6.7.2利用MATLAB实现频率法的串联滞后校正 187

6.7.3利用MATLAB实现频率法的串联滞后-超前校正 188

小结 189

习题 190

第7章 非线性控制系统的分析 193

7.1引言 193

7.1.1非线性系统的特点 193

7.1.2常见的非线性特性 194

7.1.3非线性系统的分析方法 196

7.2相平面分析法 197

7.2.1概述 197

7.2.2相轨迹图的绘制 203

7.2.3由相轨迹图求系统的暂态响应 207

7.2.4控制系统的相平面分析 208

7.3描述函数分析法 214

7.3.1概述 214

7.3.2典型非线性环节的描述函数 215

7.3.3非线性系统的描述函数法分析 218

7.3.4非线性系统的简化 224

7.4基于MATLAB的非线性系统分析 225

7.4.1利用MATLAB求解非线性系统的线性化模型 225

7.4.2基于MATLAB的相平面法分析非线性系统 227

7.4.3基于MATLAB的描述函数法分析非线性系统 229

小结 231

习题 232

第8章 线性离散控制系统的分析与设计 234

8.1引言 234

8.1.1信号的采样 235

8.1.2信号的保持 238

8.2 z变换 240

8.2.1 z变换定义 240

8.2.2 z变换方法 241

8.2.3 z变换的基本定理 242

8.2.4 z反变换 245

8.3离散系统的数学模型 246

8.3.1差分方程 246

8.3.2脉冲传递函数 248

8.4离散控制系统的稳定性分析 253

8.4.1离散控制系统稳定的条件 253

8.4.2代数稳定判据 254

8.5离散控制系统的稳态误差 256

8.5.1典型输入信号下的稳态误差 256

8.5.2扰动信号作用下的稳态误差 258

8.6离散控制系统的动态性能 258

8.6.1离散系统的输出响应 259

8.6.2闭环零点、极点分布对瞬态响应的影响 259

8.6.3离散系统的根轨迹分析 262

8.7离散控制系统的校正 263

8.7.1采用伯德图的方法 263

8.7.2最少拍控制系统的校正 265

8.8基于MATLAB的离散控制系统的分析与设计 267

8.8.1利用MATLAB实现z变换 267

8.8.2利用MATLAB实现连续系统的离散化 268

8.8.3利用MATLAB分析离散控制系统的稳定性 268

8.8.4利用MATLAB计算离散系统的稳态误差 269

8.8.5利用MATLAB分析离散系统的动态特性 269

小结 271

习题 271

附录A拉普拉斯变换 273

附录B习题参考答案 277

参考文献 283