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第1章 引论 1

1.1　计算机控制系统的基本概念 1

1.1.1 计算机控制系统 1

1.1.2 控制系统的分类 1

1.1.3 计算机控制系统的分类 8

1.1.4 计算机控制系统实现中的实际问题 12

1.2　计算机控制系统的研究内容和对系统的基本要求 14

1.2.1 计算机控制系统的研究内容 14

1.2.2 对计算机控制系统的基本要求 15

1.3　历史回顾 16

1.4　计算机集成制造系统 20

习题 21

第2章　线性连续控制系统 22

2.1 引言 22

2.1.1 单输入单输出控制系统 22

2.1.2 常用输入信号 23

2.2　拉普拉斯变换 27

2.2.1 拉普拉斯变换的定义 28

2.2.2 拉普拉斯变换定理 30

2.2.3 拉普拉斯逆变换 36

2.2.4 用拉普拉斯变换法解线性常系数微分方程 45

2.3　物理系统的数学模型 46

2.3.1 线性元件的微分方程 47

2.3.2 随动系统的微分方程 51

2.4　传递函数和方框图 52

2.4.1 传递函数和微分方程 53

2.4.2 电子网络的传递函数 53

2.4.3 简单方框图的传递函数 55

2.4.4 方框图简化 59

2.5　传递函数和信号流图 66

2.5.1 信号流图定义 66

2.5.2　梅逊增益公式 67

2.6　控制系统的时域分析 71

2.6.1 脉冲响应和阶跃响应 71

2.6.2 时域性能指标 72

2.6.3 一阶系统的动态响应 74

2.6.4 二阶系统的动态响应 76

2.6.5 高阶系统分析 86

2.6.6　稳态误差分析 88

2.6.7 用MATLAB绘制单位阶跃响应和单位脉冲响应 94

2.6.8　稳定性分析 98

2.7　根轨迹 106

2.7.1 根轨迹法 106

2.7.2 根轨迹图的绘制 108

2.7.3 用MATLAB绘制根轨迹图 112

2.8　频率响应的概念 116

2.8.1 频率响应法 116

2.8.2 频率特性的图形表示 119

2.8.3 典型环节的对数频率特性 120

2.8.4 频域性能指标 126

2.8.5 开环传递函数的频率特性 129

2.8.6 时域和频域响应之间的关系 138

2.8.7 用MATLAB进行频域分析 140

2.9　复合控制系统 146

2.9.1 对输入前馈补偿的复合控制系统 146

2.9.2 对扰动前馈补偿的复合控制系统 147

2.10　控制系统设计 148

2.10.1 校正装置的结构 148

2.10.2　校正装置的特性 149

2.10.3　根轨迹校正 155

2.10.4 频率校正 160

习题 168

第3章　非线性控制系统 174

3.1　非线性数学模型的线性化 174

3.2　控制系统中的典型非线性特性 175

3.3　非线性系统的特性 177

3.3.1 叠加原理不成立 177

3.3.2　稳定性问题 177

3.3.3　极限环（自激振荡） 178

3.3.4 畸变现象 178

3.4　非线性系统的分析方法 178

3.4.1 描述函数法 178

3.4.2 相平面法 179

3.4.3 李雅普诺夫方法 179

3.4.4　反馈线性化方法 179

3.4.5　计算机仿真 179

3.5　描述函数法 179

3.5.1 描述函数法的基本概念 179

3.5.2 典型非线性环节的描述函数 181

3.5.3 用描述函数法分析非线性系统的稳定性 183

3.6　相平面法 186

3.6.1 相平面法的基本概念 186

3.6.2　相轨迹的性质 187

3.6.3 相轨迹图的绘制 187

3.6.4 由相轨迹求时间信息 188

3.6.5 非线性系统的相平面分析 189

3.7 用MATLAB分析非线性系统 189

3.7.1 用MATLAB进行描述函数法分析 189

3.7.2 用MATLAB进行相平面分析 194

习题 196

第4章　线性离散时间系统 198

4.1 引言 198

4.2　差分方程 201

4.3　采样定理 203

4.3.1 采样过程及采样信号的频谱 203

4.3.2　香农采样定理 206

4.3.3　零阶保持器 206

4.4 z变换 209

4.4.1 z变换定义 209

4.4.2 z变换定理 211

4.4.3 z逆变换 216

4.4.4 用z变换求解差分方程 221

4.5　离散系统的传递函数和方框图 223

4.5.1 离散传递函数与差分方程 223

4.5.2 开环z传递函数 227

4.5.3 闭环z传递函数 230

4.5.4 离散系统的稳态误差 237

4.6　离散系统的极点、零点和稳定性 240

4.6.1 离散系统的极点与零点 240

4.6.2 s平面到z平面的映射 240

4.6.3 离散系统的稳定性 242

4.6.4　双线性变换 245

4.6.5 劳斯稳定性判据 246

4.6.6 朱利稳定性判据 248

4.7　离散系统的根轨迹 251

4.7.1　根轨迹图 252

4.7.2 z平面上的等阻尼比线 254

4.8　离散系统的频率响应 255

4.8.1 对数频率特性 255

4.8.2　极坐标频率特性 257

4.8.3 用MATLAB绘制离散系统的频率特性曲线 258

4.9　利用Simulink对离散系统进行建模和仿真 261

习题 263

第5章　计算机控制系统设计 267

5.1 引言 267

5.1.1 滤波器的基本原理与设计 267

5.1.2 计算机控制系统连续化设计方法 280

5.1.3 计算机控制系统离散化设计方法 283

5.2　有限拍控制 284

5.2.1 有限拍控制系统设计 284

5.2.2 有限拍无波纹控制系统 298

5.2.3 有限拍设计的改进 301

5.3　根轨迹法 304

5.4　双线性变化法 306

5.5　带纯滞后被控对象的控制系统设计 312

5.5.1 大林算法 313

5.5.2 史密斯预报器 317

习题 319

第6章　PID控制 322

6.1 引言 322

6.2　模拟和数字PID算法 325

6.2.1 模拟PID算法 325

6.2.2 数字PID算法 326

6.3　数字PID的改进算法 329

6.3.1 积分分离PID控制算法 329

6.3.2 不完全微分PID控制算法 329

6.3.3 带死区的PID控制算法 332

6.4　模拟和数字PID参数整定 333

6.4.1 模拟PID参数整定 333

6.4.2 数字PID参数整定 342

6.4.3 PID控制的自整定方法 344

6.5 模拟和数字PDF和PDFF算法 344

6.5.1 PDF算法 345

6.5.2 PDFF算法 346

6.5.3 PID、PDF和PDFF控制系统 348

6.6 PDF和PDFF参数整定 351

6.6.1 用标准滤波器进行参数整定 351

6.6.2 被控对象为单积分 352

6.6.3　被控对象为双积分 353

习题 355

第7章　可编程序控制器 356

7.1　引言 356

7.2　可编程序控制器的组成和工作原理 358

7.2.1 可编程序控制器的组成 358

7.2.2 可编程序控制器的工作原理 359

7.3　可编程序控制器的编程方式 360

7.3.1 可编程序控制器的编程语言 360

7.3.2 梯形图的主要特点及编程元件 361

7.3.3 可编程序控制器的指令及编程方法 364

7.4　可编程序控制器通信与网络功能 376

7.4.1 可编程序控制器的通信功能 377

7.4.2 可编程序控制器网络 377

习题 378

第8章　状态空间法 380

8.1 数学基础——矩阵 380

8.1.1 向量及向量运算 380

8.1.2　矩阵及矩阵运算 381

8.2　状态空间法的基本概念 391

8.3　连续系统的状态空间模型 392

8.3.1 由微分方程建立状态空间模型 392

8.3.2 多输入多输出系统的状态空间模型 394

8.3.3 非线性定常系统与非线性时变系统的状态空间模型 397

8.3.4　状态方程求解 398

8.3.5 状态空间模型与传递函数之间的等效转换 399

8.3.6 传递矩阵 403

8.4　离散系统的状态空间模型 404

8.4.1 由差分方程建立离散状态空间模型 404

8.4.2 多输入多输出离散系统的状态空间模型 408

8.4.3 离散状态方程的求解 408

8.4.4 离散状态空间模型与z传递函数之间的等效转换 409

8.4.5 z传递函数矩阵 413

8.5　能控性和能观测性 413

8.5.1 能控性和能观测性的基本概念 414

8.5.2 连续系统能控性和能观测性判据 414

8.5.3 离散系统能控性和能观测性判据 415

8.5.4 对偶原理 417

8.6　控制系统的状态空间设计 418

8.6.1 连续系统的状态反馈控制器设计 418

8.6.2 离散系统的状态反馈控制器设计 430

习题 443

附录　部分习题参考答案 448

参考文献 457