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第1章 控制系统的基本概念 1

1.1 控制系统的工作原理及其组成 1

1.1.1 工作原理 1

1.1.2 开环控制和闭环控制 3

1.1.3 闭环控制系统的组成 4

1.2 控制系统的基本类型 5

1.2.1 按输入量的特征分类 5

1.2.2 按系统中传递信号的性质分类 7

1.3 对控制系统的基本要求 7

1.4 控制工程发展概况 8

习题 9

第2章 数学模型 10

2.1 控制系统的运动微分方程 10

2.1.1 建立数学模型的一般步骤 10

2.1.2 控制系统微分方程的列写 11

2.2 拉氏变换和反变换 15

2.2.1 拉氏变换的定义 15

2.2.2 几种典型函数的拉氏变换 16

2.2.3 拉氏变换的主要定理 18

2.2.4 拉氏反变换 21

2.2.5 应用拉氏变换求解线性微分方程 29

2.3 传递函数 31

2.3.1 传递函数的概念和定义 31

2.3.2 特征方程、零点和极点 32

2.3.3 关于传递函数的几点说明 33

2.3.4 典型环节及其传递函数 33

2.4 系统框图和信号流图 43

2.4.1 系统框图 43

2.4.2 系统框图的简化 47

2.4.3 系统信号流图和梅森公式 51

2.4.4 控制系统的传递函数 54

2.5 非线性数学模型的线性化 56

2.5.1 线性化问题的提出 56

2.5.2 非线性数学模型的线性化 57

2.5.3 系统线性化微分方程的建立 58

2.6 控制系统传递函数推导举例 60

2.6.1 机械系统 60

2.6.2 液压系统 65

2.6.3 液位系统 67

2.6.4 机电系统 69

2.6.5 热力系统 71

习题 72

第3章 时域分析法 77

3.1 典型输入信号 77

3.2 一阶系统的时间响应 78

3.2.1 一阶惯性环节的单位阶跃响应 79

3.2.2 一阶惯性环节的单位速度响应 80

3.2.3 一阶惯性环节的单位脉冲响应 80

3.2.4 线性定常系统时间响应的性质 81

3.3 二阶系统的时间响应 81

3.3.1 二阶系统的单位阶跃响应 83

3.3.2 二阶系统的性能指标 87

3.4 高阶系统的时间响应 93

3.5 误差分析和计算 95

3.5.1 稳态误差的基本概念 95

3.5.2 稳态误差的计算 96

3.5.3 稳态误差系数 97

3.5.4 扰动引起的稳态误差和系统总误差 102

3.6 稳定性分析 104

3.6.1 稳定的概念 104

3.6.2 稳定的条件 105

3.6.3 劳思稳定判据 107

3.7 基于MATLAB与SIMULINK的时域特性分析 112

3.7.1 基于MATLAB的时域特性分析 112

3.7.2 基于SIMULINK的时域特性分析 118

习题 124

第4章 频域分析法 126

4.1 频率特性的基本概念 126

4.1.1 频率响应和频率特性 126

4.1.2 频率特性的求取方法 128

4.1.3 频率特性的图示方法 128

4.2 典型环节的频率特性 130

4.2.1 比例环节 130

4.2.2 惯性环节 130

4.2.3 积分环节 133

4.2.4 理想微分环节 134

4.2.5 振荡环节 135

4.2.6 一阶微分环节 137

4.2.7 二阶微分环节 138

4.2.8 延迟环节 139

4.3 系统开环频率特性 141

4.3.1 最小相位系统 141

4.3.2 系统开环尼氏图的绘制 142

4.3.3 系统开环博德图的绘制 144

4.3.4 传递函数实验确定法 147

4.4 频域稳定性判据 150

4.4.1 尼奎斯特稳定性判据 150

4.4.2 对数频率特性的稳定性判据 157

4.4.3 稳定性裕量 158

4.5 闭环控制系统的频率特性 161

4.5.1 闭环系统频率特性的求取 161

4.5.2 闭环系统的频域指标 164

4.6 频域指标与时域性能指标间的关系 165

4.6.1 闭环频域指标与时域性能指标之间的关系 166

4.6.2 开环频域指标与时域性能指标之间的关系 166

4.7 用系统开环频率特性分析闭环系统性能 168

4.7.1 低频段 168

4.7.2 中频段 169

4.7.3 结论 171

4.8 基于MATLAB与SIMULINK的频域特性分析 172

4.8.1 基于MATLAB的频域特性分析 172

4.8.2 基于SIMULINK的频域特性分析 177

习题 181

第5章 控制系统的设计和校正 186

5.1 概述 186

5.2 PID控制规律 187

5.2.1 P控制（比例控制） 188

5.2.2 PI控制（比例加积分控制） 189

5.2.3 PD控制（比例加微分控制） 190

5.2.4 PID控制（比例加积分加微分控制） 191

5.3 PID控制规律的实现 193

5.3.1 PD控制规律的实现 193

5.3.2 PI控制规律的实现 195

5.3.3 PID控制规律的实现 197

5.3.4 小结 200

5.4 频率法设计和校正 201

5.4.1 PID校正网络参数的确定 201

5.4.2 近似PID校正网络的参数确定 205

5.5 并联校正和复合控制 212

5.5.1 并联校正（反馈校正） 212

5.5.2 复合控制 215

5.6 基于MATLAB与SIMULINK的控制系统设计与校正 218

5.6.1 基于MATLAB的控制系统设计与校正 218

5.6.2 基于SIMULINK的控制系统设计与校正 222

习题 229

第6章 线性离散系统与Z变换 232

6.1 概述 232

6.2 采样过程与采样定理 234

6.2.1 采样过程 234

6.2.2 采样定理 235

6.2.3 信号恢复 236

6.3 Z变换与Z反变换 238

6.3.1 Z变换 238

6.3.2 Z反变换 242

6.3.3 连续系统的离散化方程——差分方程 246

6.3.4 用Z变换法求解差分方程 248

6.4 脉冲传递函数 249

6.4.1 脉冲传递函数 249

6.4.2 离散系统的开环脉冲传递函数 251

6.4.3 离散系统的闭环脉冲传递函数 253

6.4.4 闭环离散系统的过渡过程 255

6.5 离散系统的稳定性分析 257

6.5.1 ［s］平面到［z］平面之间的映射 257

6.5.2 线性离散系统稳定的充要条件 257

6.5.3 线性离散系统稳定性的判别方法 258

6.6 数字控制器与离散PID控制 260

6.6.1 数字控制器的脉冲传递函数 260

6.6.2 离散PID控制器及其校正 261

6.7 基于SIMULINK的离散系统时域特性分析 266

习题 268

第7章 状态空间分析法 270

7.1 状态变量与状态空间 270

7.2 连续系统的状态方程及输出方程 271

7.2.1 由系统微分方程列写状态方程及输出方程 271

7.2.2 由系统状态变量图列写状态方程及输出方程 279

7.2.3 由系统框图直接列写状态方程及输出方程 282

7.2.4 非线性系统的状态方程及输出方程 286

7.2.5 时变线性系统的状态方程及输出方程 290

7.3 离散系统的状态方程及输出方程 291

7.3.1 作用函数不含未来值 292

7.3.2 作用函数含未来值 293

7.4 控制系统状态方程的解 296

7.4.1 连续系统状态方程的解 296

7.4.2 离散系统状态方程的解 313

7.4.3 连续系统状态方程的离散化 320

7.5 系统状态方程的计算机辅助分析 324

7.5.1 连续系统状态方程的数值积分程序 324

7.5.2 基于MATLAB与SIMULINK的系统状态空间分析 330

7.6 基于MATLAB的系统数学模型转换 334

习题 337

第8章 控制系统的应用和分析 341

8.1 带钢卷取电液伺服控制系统 341

8.1.1 概述 341

8.1.2 控制系统的组成和工作原理 342

8.1.3 控制系统性能分析 343

8.2 电压-转角机电伺服控制系统 350

8.2.1 概述 350

8.2.2 控制系统的组成和工作原理 350

8.2.3 控制系统性能分析 351

8.3 仿形刀架机液伺服控制系统 355

8.3.1 概述 355

8.3.2 控制系统的组成和工作原理 356

8.3.3 控制系统性能分析 357

8.4 定量浇注气动调节控制系统 362

8.4.1 概述 362

8.4.2 控制系统的组成和工作原理 362

8.4.3 控制系统性能分析 364

附录 369

附录A 常用函数的拉氏变换和Z变换表 369

附录B Z变换基本定理 372

附录C 矩阵运算 373

附录D 基本的数值解法 375

附录E 部分习题参考答案 377

参考文献 387