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第1章 绪论 1

1.1自动控制系统的组成和基本工作方式 1

1.2自动控制系统示例 7

1.2.1工业自动控制系统 7

1.2.2其他领域的自动控制问题 13

1.3自动控制系统的分类 17

1.3.1连续系统与离散系统 17

1.3.2线性系统与非线性系统 18

1.3.3单输入-单输出系统和多输入-多输出系统 19

1.3.4两类典型的反馈控制系统 19

1.4自动控制系统设计的基本要求 20

1.4.1对自动控制系统的基本要求 20

1.4.2自动控制系统设计概述 22

1.5自动控制理论的发展回顾和本书的内容简介 23

习题 25

第2章 控制系统的数学模型 28

2.1单输入-单输出线性系统的时域描述 29

2.1.1典型对象（环节）的微分方程 29

2.1.2控制系统微分方程的建立 33

2.2单输入-单输出线性控制系统的传递函数描述 35

2.2.1拉普拉斯（Laplace）变换及基本性质 35

2.2.2传递函数的定义和意义 41

2.2.3典型环节的传递函数 45

2.3动态结构图及其化简 51

2.3.1控制系统的动态结构图描述 51

2.3.2动态结构图的等效变换和化简 55

2.3.3闭环系统的典型传递函数 59

2.4信号流图 62

2.4.1信号流图的定义及性质 62

2.4.2 Mason公式及应用 66

2.5非线性系统的线性化 70

2.5.1非线性系统的线性近似 70

2.5.2非线性系统反馈线性化的概念 72

2.6多输入-多输出控制系统的描述 73

2.6.1控制系统的状态变量描述 73

2.6.2多输入-多输出线性系统的传递函数矩阵描述 79

2.7典型控制系统的模型 80

2.7.1机械与机电系统 80

2.7.2工业过程系统 87

2.7.3非工程系统 90

本章小结 92

例题和习题 94

第3章 线性控制系统的时域分析 106

3.1控制系统时域分析引论 106

3.1.1控制系统时域分析的基本概念 106

3.1.2典型输入信号 107

3.1.3线性系统的零状态响应 110

3.1.4控制系统的性能指标 113

3.2一阶系统分析 115

3.2.1一阶系统的单位阶跃响应 115

3.2.2一阶系统的单位脉冲响应 116

3.2.3一阶系统的单位斜坡响应 117

3.2.4线性定常系统的重要特性 118

3.3二阶系统 119

3.3.1二阶系统的数学模型 119

3.3.2二阶系统的单位阶跃响应 120

3.3.3二阶系统的性能指标分析 125

3.3.4二阶系统响应特性的改善 128

3.3.5二阶系统的脉冲响应 132

3.4高阶系统分析 133

3.4.1高阶系统的动态响应 134

3.4.2主导极点 135

3.5线性控制系统的稳定性分析 137

3.5.1稳定性的基本概念 137

3.5.2线性系统稳定性的充要条件 138

3.5.3劳斯判据及应用 140

3.5.4控制系统的相对稳定性 145

3.6控制系统的稳态误差 146

3.6.1控制系统的误差 146

3.6.2输入作用下的稳态误差 148

3.6.3静态误差系数 154

3.6.4扰动作用下的稳态误差 156

3.6.5减小或消除稳态误差的措施 158

3.7用Matlab进行动态分析 159

3.8实例分析 166

本章小结 168

例题和习题 171

第4章 控制系统的根轨迹分析 178

4.1根轨迹的基本概念 178

4.1.1闭环系统的根轨迹 178

4.1.2根轨迹方程 182

4.2根轨迹的基本性质及绘图的基本规则 185

4.2.1根轨迹的基本性质 185

4.2.2根轨迹绘图的基本规则 187

4.3控制系统的根轨迹绘制 194

4.3.1单回路系统的根轨迹 194

4.3.2参量根轨迹 199

4.3.3多回路系统的根轨迹 202

4.3.4正反馈回路的根轨迹 205

4.4控制系统的根轨迹分析 208

4.4.1增加开环零点对根轨迹的影响 208

4.4.2增加开环极点对根轨迹的影响 209

4.4.3基本PID控制作用对根轨迹的影响 211

4.4.4由根轨迹分析控制系统 214

4.5应用Matlab绘制根轨迹 216

4.6应用根轨迹法分析和设计控制系统实例 220

本章小结 226

例题和习题 228

第5章 控制系统的频域分析 236

5.1控制系统频率特性的基本概念 236

5.1.1线性系统的正弦稳态响应和频率特性 236

5.1.2频率特性与传递函数的关系 237

5.1.3频率特性的数学表示 238

5.2典型环节的频率特性 242

5.2.1比例、微分和积分环节 243

5.2.2惯性环节和一阶微分环节 245

5.2.3二阶振荡环节 249

5.2.4二阶微分环节 253

5.2.5滞后环节 254

5.3控制系统的开环频率特性 255

5.3.1开环对数频率特性 256

5.3.2开环幅相图 260

5.3.3最小相位系统和非最小相位系统 265

5.4控制系统的频域稳定性判据 267

5.4.1开环极点与闭环极点 268

5.4.2幅角原理和奈奎斯特判据 268

5.4.3奈奎斯特判据应用于Ⅰ型和Ⅱ型系统 272

5.4.4应用伯德图判断稳定性 276

5.4.5相对稳定性和稳定裕量 277

5.5利用对数开环频率特性分析控制系统性能 281

5.5.1 L（ω）的低频渐近线与系统的稳态误差 281

5.5.2 L（ω）的中频段斜率与系统的稳定性 282

5.5.3开环频率特性与系统的动态性能指标 285

5.6控制系统的闭环频率特性 287

5.6.1闭环频率特性绘制的基本方法 287

5.6.2闭环频率特性的特征 288

5.7频率特性的实验确定 289

5.8利用Matlab进行频率特性分析 290

5.8.1用Matlab作伯德图 290

5.8.2用Matlab绘制奈奎斯特图 295

5.9实例分析 296

本章小结 299

例题和习题 300

第6章 控制系统的校正 307

6.1校正的基本概念 307

6.1.1为什么要对控制系统进行校正 307

6.1.2校正方式的分类 308

6.1.3控制系统校正的性能指标 310

6.1.4校正设计方法 312

6.2工业基本控制方法的分析 313

6.2.1 PD控制 313

6.2.2 PI控制 314

6.2.3 PID控制 317

6.2.4 PID控制器的调节法则 318

6.2.5 PID控制方案的修正 320

6.2.6 PID控制的鲁棒性分析 324

6.3常用校正装置及其特性 327

6.3.1超前校正装置 327

6.3.2滞后校正装置 330

6.3.3滞后-超前校正装置 332

6.4控制系统频率法校正示例 336

6.4.1超前校正 337

6.4.2滞后校正 341

6.4.3滞后-超前校正 345

6.5并联反馈校正 348

6.5.1反馈校正的原理 348

6.5.2并联反馈校正的特点 349

本章小结 353

习题 354

第7章 采样控制系统 358

7.1引言 358

7.2采样和保持 360

7.2.1采样过程及其数学描述 360

7.2.2采样定理 362

7.2.3保持器 363

7.3z变换 367

7.3.1z变换的定义 367

7.3.2由拉氏变换求对应采样信号的z变换 368

7.3.3z变换的性质 371

7.3.4逆z变换 373

7.4离散系统的数学模型及时域分析 375

7.4.1离散系统的差分方程 375

7.4.2脉冲传递函数的定义 377

7.4.3采样控制系统的脉冲传递函数 378

7.4.4离散系统的时域分析 382

7.4.5闭环系统脉冲传递函数极点与动态响应特征关系 383

7.5采样控制系统的稳定性分析 386

7.5.1离散系统稳定性的条件 386

7.5.2双线性变换与劳斯稳定判据 387

7.5.3采样周期与开环增益对稳定性的影响 388

7.6采样控制系统的稳态误差 389

7.6.1采样控制系统的误差传递函数 389

7.6.2采样控制系统的稳态误差与静态误差系数 390

7.7带有数字计算机控制器的闭环系统 391

7.7.1数字PID控制器的实现 392

7.7.2由连续控制器到数字控制器的转换 393

7.8实例分析 395

本章小结 396

例题和习题 397

第8章 非线性控制系统 404

8.1基本概念 404

8.1.1非线性系统的特点 404

8.1.2典型非线性特性及对系统性能的影响 405

8.1.3非线性系统的分析方法 407

8.2非线性系统的相平面分析方法 409

8.2.1线性二阶系统奇点的类型 409

8.2.2用奇点类型分析非线性系统平衡点的局部相轨迹 414

8.2.3一类非线性系统的相平面分析 418

8.2.4绘制相平面轨迹的等倾线法 419

8.2.5极限环 422

8.3描述函数分析法 425

8.3.1描述函数的概念 425

8.3.2典型非线性特性的描述函数 426

8.3.3用描述函数法分析非线性系统 430

8.4非线性控制系统的反馈线性化设计方法概述 434

本章小结 436

习题 437

第9章 控制系统的状态空间分析与设计 440

9.1线性定常控制系统的状态变量描述及求解 440

9.1.1线性定常连续系统的状态变量描述 441

9.1.2状态空间描述与传递函数阵的相互转换 443

9.1.3线性定常连续系统状态方程解的形式 447

9.1.4矩阵指数函数的求解方法 450

9.1.5线性离散系统的状态方程及其求解 455

9.2线性系统的可控性和可观测性 457

9.2.1可控性和可观测性的概念 457

9.2.2线性连续系统的可控性和可观测性判据 458

9.2.3单输入-单输出线性系统的可控性和可观测性规范型 468

9.3李亚普诺夫稳定性分析 471

9.3.1李亚普诺夫稳定性的基本概念 471

9.3.2李雅普诺夫直接法的基本定理 477

9.3.3线性定常系统的稳定性判据 481

9.3.4按首次近似决定非线性系统稳定性 483

9.4线性系统状态空间法综合设计 485

9.4.1状态反馈和输出反馈 485

9.4.2状态反馈极点配置 487

9.4.3状态观测器及其设计 491

本章小结 494

例题和习题 498

部分习题答案 504

参考文献 511