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第1章 绪论 1

1.1 控制理论的基本含义 1

1.1.1 经典控制理论 2

1.1.2 现代控制理论 2

1.2 控制系统的基本概念 3

1.2.1 系统的概念 3

1.2.2 控制与自动控制的概念 3

1.3 控制系统的工作原理与组成 4

1.3.1 控制系统的工作原理 4

1.3.2 控制系统的组成 6

1.4 控制系统的基本类型 7

1.4.1 按控制策略分类 7

1.4.2 按输入信号的性质分类 8

1.4.3 按传递信号的性质分类 9

1.5 控制系统的性能要求 9

本章小结 10

习题 11

第2章 控制系统的数学模型 12

2.1 控制系统的微分方程 12

2.1.1 微分方程建立步骤 13

2.1.2 控制系统的微分方程 13

2.2 拉氏变换与反变换 15

2.2.1 拉氏变换的定义 15

2.2.2 典型时间函数的拉氏变换 16

2.2.3 拉氏变换定理 18

2.2.4 拉氏反变换 21

2.2.5 拉氏变换求解线性微分方程 25

2.3 控制系统的传递函数 26

2.3.1 传递函数的定义 26

2.3.2 传递函数的基本性质 27

2.3.3 典型环节的传递函数 28

2.4 系统方框图及其简化 33

2.4.1 控制系统框图绘制步骤 34

2.4.2 方框图的连接方式 35

2.4.3 方框图的简化 36

2.5 控制系统常用传递函数 39

2.5.1 闭环系统的开环传递函数 39

2.5.2 给定输入作用下的闭环传递函数 40

2.5.3 扰动作用下的闭环传递函数 40

2.6 信号流图和梅逊公式 41

2.6.1 信号流图 41

2.6.2 梅逊公式 43

2.7 非线性模型的线性化 45

2.7.1 线性化问题的提出 45

2.7.2 非线性数学模型的线性化 45

2.8 控制系统建模举例 47

本章小结 49

习题 50

第3章 控制系统的时域分析 54

3.1 时域响应 54

3.2 典型输入信号 55

3.3 一阶系统的时域分析 57

3.3.1 一阶系统的单位阶跃响应 58

3.3.2 一阶系统的脉冲响应 59

3.4 二阶系统的时域分析 59

3.4.1 二阶系统的单位阶跃响应 60

3.4.2 控制系统的时域性能指标 63

3.4.3 二阶系统的脉冲响应 66

3.5 高阶系统的时域分析 69

3.5.1 高阶系统的单位阶跃响应 69

3.5.2 主导极点 71

3.5.3 高阶系统阶跃性能指标 72

3.6 控制系统稳定性分析 73

3.6.1 稳定的概念 73

3.6.2 稳定的条件 74

3.6.3 劳斯稳定判据 76

3.7 控制系统稳态误差分析 79

3.7.1 偏差及误差的概念 79

3.7.2 系统的类型和偏差系数 81

3.7.3 扰动作用下的稳态误差 83

3.7.4 控制系统稳态精度改善措施 84

本章小结 85

习题 86

第4章 控制系统的频域分析 89

4.1 频率特性的基本概念 89

4.1.1 频率响应 89

4.1.2 频率特性 90

4.1.3 频率特性的求取方法及表达方式 91

4.2 典型环节的频率特性 95

4.2.1 比例环节 95

4.2.2 惯性环节 95

4.2.3 一阶微分环节 98

4.2.4 二阶振荡环节 99

4.2.5 积分环节 103

4.2.6 延迟环节 104

4.3 控制系统的开环频率特性 105

4.3.1 最小相位系统 105

4.3.2 系统开环传递函数奈奎斯特图的绘制 106

4.3.3 系统开环传递函数伯德图的绘制 109

4.3.4 传递函数的实验确定法 112

4.4 系统稳定性的频域分析 116

4.4.1 奈奎斯特稳定性判据 116

4.4.2 伯德稳定性判据 122

4.4.3 控制系统的相对稳定性 124

4.5 系统动态性能的频域指标 126

4.5.1 闭环系统的频率特性 126

4.5.2 闭环频域性能指标 128

4.5.3 开环系统频域性能指标 130

4.5.4 用开环系统频率特性分析闭环系统性能 131

本章小结 132

习题 133

第5章 控制系统的综合与校正 138

5.1 校正的基本概念 138

5.1.1 控制系统的性能指标 138

5.1.2 控制系统的校正概念 139

5.1.3 系统常用校正方式 139

5.2 PID控制器 140

5.2.1 PID控制器 140

5.2.2 P控制 141

5.2.3 PI控制 142

5.2.4 PD控制 144

5.2.5 PID控制 145

5.3 PID控制器的实现 146

5.3.1 PD控制器 147

5.3.2 PI控制器 147

5.3.3 PID控制器 147

5.4 反馈校正 148

5.4.1 反馈校正的连接形式 148

5.4.2 反馈校正的特点 149

5.5 复合校正 149

5.5.1 顺馈补偿 150

5.5.2 前馈补偿 151

本章小结 151

习题 152

第6章 控制系统计算机辅助设计 154

6.1 概述 154

6.2 硬盘控制分析与建模 155

6.2.1 硬盘工作原理 155

6.2.2 硬盘控制建模 158

6.3 MATLAB简介 159

6.3.1 MATLAB简介 159

6.3.2 MATLAB Simulink 161

6.4 硬盘控制系统校正 162

6.4.1 硬盘控制系统性能分析 162

6.4.2 硬盘控制系统时域校正 164

6.4.3 硬盘控制系统频域校正 169

6.5 磁悬浮小球系统校正 171

本章小结 175

习题 175

参考文献 177