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第1章 绪论 1

1.1自动控制系统的基本概念 1

1.1.1自动控制系统 1

1.1.2开环控制与闭环控制 1

1.2自动控制系统的基本构成和分类 4

1.2.1自动控制系统的基本构成 4

1.2.2自动控制系统的分类 5

1.3自动控制理论的发展历史 6

1.3.1经典控制论阶段（20世纪50年代末期以前） 6

1.3.2现代控制论阶段（20世纪50年代末期至70年代初期） 7

1.3.3大系统理论阶段与智能控制理论阶段（20世纪70年代初期至现在） 7

1.4自动控制系统性能的基本要求和本课程的任务 8

1.4.1自动控制系统性能的基本要求 8

1.4.2本课程的任务 9

1.5自动控制系统的工程应用 10

1.5.1电加热炉温度控制系统 10

1.5.2工作台位置控制系统 10

1.5.3飞机自动驾驶控制系统 11

1.5.4火炮方位角控制系统 12

1.5.5水箱液位控制系统 12

1.6自动控制系统的分析与设计工具——Matlab 13

1.6.1 Matlab简介 13

1.6.2 Matlab控制系统工具箱 13

习题 14

第2章 数学基础 15

2.1拉普拉斯变换 15

2.1.1拉普拉斯变换的定义 15

2.1.2拉普拉斯变换的性质 16

2.2拉普拉斯反变换 20

2.2.1拉普拉斯反变换的定义 20

2.2.2拉普拉斯反变换的部分分式展开 20

2.3 Matlab运算基础 25

2.3.1矩阵运算 25

2.3.2符号运算 28

2.3.3关系运算和逻辑运算 31

习题 33

第3章 线性系统的数学模型 34

3.1系统的时域模型 34

3.1.1线性系统的微分方程 34

3.1.2线性微分方程的求解 36

3.2系统的复数域模型 37

3.2.1传递函数的定义 37

3.2.2传递函数的性质 38

3.2.3传递函数的求法 39

3.2.4典型环节的传递函数 41

3.3系统的结构框图及其等效变换 45

3.3.1结构框图的组成 45

3.3.2结构框图的绘制 46

3.3.3结构框图的等效变换 47

3.3.4结构框图的化简 51

3.4信号流图与梅森公式 53

3.4.1信号流图 53

3.4.2梅森公式 55

3.5 Matlab控制系统工具箱及数学建模应用 56

3.5.1 Matlab控制系统工具箱简介 56

3.5.2 Matlab控制系统工具箱在数学建模中的应用 57

习题 61

第4章 时域分析 64

4.1控制系统典型测试信号 64

4.1.1阶跃函数 64

4.1.2斜坡函数 64

4.1.3加速度函数 65

4.1.4单位脉冲函数与单位冲激函数 65

4.1.5正弦函数 65

4.2控制系统时域响应及其性能指标 66

4.2.1系统的时域响应 66

4.2.2时间响应的性能指标 67

4.3一阶系统的时域分析 68

4.3.1一阶系统的数学模型 68

4.3.2一阶系统的单位阶跃响应 69

4.3.3一阶系统的单位脉冲响应 69

4.3.4一阶系统的单位斜坡响应 70

4.3.5一阶系统的单位加速度响应 71

4.4二阶系统的时域分析 71

4.4.1二阶系统的典型形式 71

4.4.2二阶系统的单位阶跃响应 73

4.4.3二阶欠阻尼系统的动态性能指标 76

4.4.4二阶系统时域分析计算举例 78

4.4.5二阶系统的单位冲激响应 80

4.4.6二阶系统的单位斜坡响应 80

4.5高阶系统的时域分析 81

4.6 Matlab在时域分析中的应用 82

4.6.1函数step（） 82

4.6.2函数impulse（） 84

4.6.3函数gensig（） 85

4.6.4函数lsim（） 85

习题 88

第5章 根轨迹法 90

5.1根轨迹法的基本概念 90

5.1.1根轨迹的基本概念 90

5.1.2根轨迹与系统性能 91

5.1.3闭环零、极点与开环零、极点之间的关系 92

5.1.4根轨迹方程 93

5.2绘制根轨迹的基本法则 95

5.3广义根轨迹 104

5.3.1参数根轨迹 105

5.3.2零度根轨迹 106

5.4利用根轨迹分析系统性能 109

5.4.1利用闭环主导极点估算系统的性能指标 109

5.4.2开环零、极点分布对系统性能的影响 113

5.5 Matlab在根轨迹法中的应用 115

5.5.1 pzmap（）函数 115

5.5.2 rlocus（）函数 116

5.5.3 rlocfind（）函数 117

习题 118

第6章 频域分析 119

6.1频率特性的基本概念 119

6.1.1 RC网络 119

6.1.2频率特性的定义 120

6.1.3频率特性的表示方法 121

6.1.4频率特性与传递函数之间的关系 122

6.1.5频率特性的性质 122

6.2奈奎斯特图分析法 123

6.2.1典型环节的奈奎斯特图 123

6.2.2奈奎斯特图的画法 127

6.3开环系统的伯德图分析法 128

6.3.1伯德图的基本概念 128

6.3.2典型环节的伯德图 129

6.3.3开环传递函数的伯德图画法 135

6.4系统的闭环频率特性 137

6.4.1闭环频率特性 137

6.4.2闭环频率特性曲线的绘制 138

6.4.3闭环频率指标 139

6.5频域性能指标与时域性能指标之间的关系 140

6.5.1时域性能指标 140

6.5.2频域性能指标 140

6.5.3频域指标与时域指标之间的关系 141

6.6 Matlab在频域分析中的应用 142

6.6.1 nyquist曲线的绘制 142

6.6.2 Bode图的绘制 143

习题 146

第7章 系统稳定性分析 148

7.1系统稳定性的基本概念 148

7.2线性定常系统稳定的充要条件 149

7.3劳斯稳定判据 151

7.4奈奎斯特稳定判据 154

7.4.1辅助函数的构造 154

7.4.2辅角定理 155

7.4.3奈奎斯特稳定判据 156

7.5对数频率特性的稳定判据 157

7.6系统的相对稳定性分析 158

7.6.1相角裕量γ 158

7.6.2增益裕量 159

7.7 Matlab在系统稳定性分析中的应用 160

7.7.1用时域分析法判断系统稳定性 160

7.7.2用根轨迹法判断系统的稳定性 162

7.7.3用频率法判定系统稳定性 163

习题 166

第8章 误差分析 167

8.1稳态误差的基本概念 167

8.2给定信号作用下的稳态误差及计算 170

8.2.1阶跃输入作用下的稳态误差与静态位置误差系数 170

8.2.2斜坡输入作用下的稳态误差与静态速度误差系数 170

8.2.3加速度输入作用下的稳态误差与静态加速度误差系数 172

8.2.4动态误差系数 174

8.3扰动信号作用下的稳态误差及计算 175

8.4改善系统稳态精度的方法 176

8.4.1增大系统开环增益或扰动作用点之前系统的前向通道增益 176

8.4.2在系统的前向通道或主反馈通道设置串联积分环节 177

8.4.3采用串级控制抑制内回路扰动 178

8.4.4采用复合控制方法 180

习题 180

第9章 系统的设计与校正 181

9.1概述 181

9.1.1综合与校正的基本原则 181

9.1.2校正方式 182

9.2超前校正 183

9.2.1超前校正的基本形式 184

9.2.2超前校正的设计步骤 185

9.3滞后校正 186

9.3.1滞后校正的基本形式 186

9.3.2滞后校正的设计步骤 187

9.4滞后-超前校正 189

9.4.1滞后-超前校正的基本形式 189

9.4.2滞后-超前校正的设计步骤 189

9.5 PID控制规则 191

9.5.1比例（P）控制器 192

9.5.2积分（I）控制器 193

9.5.3微分（D）控制器 194

9.5.4比例-积分（PI）控制器 194

9.5.5比例-微分（PD）控制器 195

9.5.6比例-积分-微分（PID）控制器 196

9.6 Matlab在系统设计与校正中的应用 197

9.6.1使用Matlab进行超前校正 197

9.6.2使用Matlab进行滞后校正 199

9.6.3使用Matlab进行滞后超前校正 200

习题 203

附录1常用拉氏变换表 205

附录2常用校正装置 206

附录3控制系统工具箱中的常用Matlab命令 207

参考文献 208