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1.1 开环控制系统与闭环控制系统 1

第1章 自动控制系统的基本概念 1

1.2 闭环控制系统的组成和基本环节 4

1.3 自动控制系统的类型 6

1.3.1　线性系统和非线性系统 6

1.3.2　连续系统和离散系统 8

1.3.3　恒值系统、随动系统和程序控制系统 9

1.4 自动控制系统的性能指标 9

1.4.1 稳定性 9

1.4.2　稳态性能指标 10

1.4.3　暂态性能指标 10

小结 13

思考题与习题 14

2.1　微分方程式的编写 17

第2章 自动控制系统的数学模型 17

2.1.1 机械系统 18

2.1.2 电气系统 21

2.1.3　液压系统 24

2.1.4　热工系统 29

2.2　非线性数学模型的线性化 31

2.3　传递函数 35

2.3.1　传递函数的定义 35

2.3.2　典型环节的传递函数及暂态特性 41

2.4　系统动态结构图 49

2.5 系统传递函数和结构图的等效变换 52

2.5.1　典型连接的等效传递函数 53

2.5.2　相加点及分支点的变位运算 55

2.5.3　系统开环传递函数 57

2.5.4 系统闭环传递函数 60

2.5.5 系统对给定作用和扰动作用的传递函数 61

2.6　信号流图 62

2.6.1　信号流图中的术语 63

2.6.2　信号流图的绘制 64

2.6.3　信号流图的基本简化法则 65

2.6.4　梅逊增益公式 66

2.7 用MATLAB求解线性微分方程和化简系统方框图 71

2.7.1 MATLAB中数学模型的表示 71

2.7.2 用MATLAB求解线性微分方程 73

2.7.3 MATLAB在系统方框图化简中的应用 76

小结 78

思考题与习题 79

第3章 自动控制系统的时域分析 85

3.1 自动控制系统的时域指标 86

3.1.1　对控制性能的要求 86

3.1.2 自动控制系统的典型输入信号 87

3.2　一阶系统的阶跃响应 89

3.2.1　一阶系统的数学模型 89

3.2.2　一阶系统的单位阶跃响应 89

3.3　二阶系统的阶跃响应 91

3.3.1　典型二阶系统的动态特性 93

3.3.2　二阶系统动态特性指标 97

3.3.3　二阶系统特征参数与动态性能指标之间的关系 100

3.3.4　二阶工程最佳参数 101

3.3.5　零、极点对二阶系统动态性能的影响 103

3.4　高阶系统的动态响应 107

3.5.1 线性系统稳定性的概念和稳定的充分必要条件 109

3.5 自动控制系统的代数稳定判据 109

3.5.2　劳斯判据 110

3.5.3　赫尔维茨判据 113

3.5.4　谢绪恺判据 114

3.5.5　参数对稳定性的影响 115

3.5.6　相对稳定性和稳定裕度 117

3.6　稳态误差 118

3.6.1　扰动稳态误差 118

3.6.2　给定稳态误差和误差系数 120

3.6.3　减小稳态误差的方法 126

3.7 用MATLAB进行系统时域分析 129

3.7.1 典型输入信号的MATLAB实现 130

3.7.2　系统的稳定性分析 134

3.7.3 MATLAB在求解系统给定稳态误差中的应用 136

小结 138

思考题与习题 138

第4章　根轨迹法 143

4.1　根轨迹法的基本概念 144

4.2　根轨迹的绘制法则 146

4.2.1　绘制根轨迹的一般法则 146

4.2.2 自动控制系统的根轨迹 155

4.2.3　零度根轨迹 166

4.2.4　参数根轨迹 168

4.3　用根轨迹法分析系统的动态特性 172

4.3.1 在根轨迹上确定特征根 172

4.3.2　用根轨迹法分析系统的动态特性 173

4.3.3　开环零点对系统根轨迹的影响 176

4.3.5　偶极子对系统性能的影响 178

4.3.4　开环极点对系统根轨迹的影响 178

4.4 用MATLAB绘制根轨迹 181

4.4.1 根轨迹分析的MATLAB实现的函数指令格式 181

4.4.2 零度根轨迹的MATLAB绘制 187

4.4.3 参数根轨迹的MATLAB绘制 188

小结 191

思考题与习题 191

第5章　频率法 195

5.1　频率特性的基本概念 195

5.2　非周期函数的频谱分析 198

5.2.1　周期函数的傅氏级数分解 198

5.2.2　非周期函数的频谱 201

5.3　频率特性的表示方法 204

5.3.1　幅相频率特性 204

5.3.2　对数频率特性 205

5.3.3　对数幅相频率特性 206

5.4　典型环节的频率特性 206

5.4.1　比例环节 206

5.4.2　惯性环节 207

5.4.3　积分环节 211

5.4.4　微分环节 212

5.4.5　振荡环节 214

5.4.6　时滞环节 217

5.4.7　最小相位环节 218

5.5　系统开环频率特性的绘制 219

5.5.1 系统的开环幅相频率特性 219

5.5.2　系统的开环对数频率特性 224

5.6　奈奎斯特稳定判据及其应用 227

5.6.1　奈氏稳定判据的基本原理 228

5.6.2　映射定理 228

5.6.3　奈氏路径及其映射 229

5.6.4　奈氏稳定判据 230

5.6.5　开环有串联积分环节的系统 231

5.6.6　用系统开环对数频率特性判断闭环系统稳定性 232

5.6.7　应用奈氏稳定判据判断闭环系统稳定性举例 234

5.6.8　系统的稳定裕度 236

5.7 系统动态特性和开环频率特性的关系 238

5.7.1　开环对数频率特性的基本性质 238

5.7.2 系统动态特性和开环频率特性的关系 244

5.8　闭环系统频率特性 246

5.8.1 闭环系统频率特性与开环系统频率特性的关系 247

5.8.2 闭环系统等M圆、等θ圆及尼氏图 248

5.9 系统动态特性和闭环频率特性的关系 254

5.9.1　谐振峰值Mp和超调量σ％之间的关系 254

5.8.3　非单位反馈系统的闭环频率特性 254

5.9.2　谐振峰值Mp和调节时间ts的关系 255

5.9.3　频带宽BW和ζ之间的关系 255

5.10 用MATLAB绘制系统开环频率特性 256

5.10.1 用MATLAB绘制系统开环对数频率特性（伯德图） 256

5.10.2 用MATLAB绘制系统开环幅相频率特性（奈氏曲线） 261

5.10.3　稳定裕度求解 263

小结 265

思考题与习题 266

第6章　控制系统的校正及综合 269

6.1　控制系统校正的一般概念 269

6.1.1　基本校正方法 269

6.1.2　用频率法校正的特点 271

6.2 串联校正 272

6.2.1 串联超前（微分）校正 273

6.2.2 串联滞后（积分）校正 278

6.2.3　串联滞后－超前（积分－微分）校正 285

6.3　反馈校正 295

6.3.1　反馈校正的功能 295

6.3.2　反馈校正装置的设计 298

6.4　复合校正 305

6.4.1　按扰动补偿的复合控制 305

6.4.2　按输入补偿的复合控制 306

6.5 应用MATLAB进行系统校正 309

6.5.1　串联超前校正设计 309

6.5.2　串联滞后校正设计 312

6.5.3 串联滞后－超前校正设计 314

小结 317

思考题与习题 318

第7章　非线性系统分析 323

7.1 非线性系统动态过程的特点 323

7.2　非线性特性及其对系统性能的影响 326

7.2.1 不灵敏区（死区） 326

7.2.2　饱和 328

7.2.3 间隙 329

7.2.4　摩擦 330

7.2.5　继电器特性 332

7.3　非线性特性的描述函数 333

7.3.1　谐波线性化 333

7.3.2　非线性特性的描述函数 335

7.3.3　典型非线性特性的描述函数 336

7.4　非线性系统的描述函数法 345

7.4.1 非线性系统的典型结构及基本条件 345

7.4.2　非线性系统的稳定性分析 346

7.4.3 自振分析 348

7.4.4　应用描述函数法分析非线性系统 349

7.4.5　非线性系统结构图的简化 355

7.5　改善非线性系统性能的措施及非线性特性的利用 357

7.5.1　改变线性部分的参数或对线性部分进行校正 357

7.5.2　改变非线性特性 358

7.5.3　非线性特性的应用 360

7.5.4　用振荡线性化改善系统性能 363

7.6　相平面法 364

7.6.1　相轨迹的特征 364

7.6.2　相轨迹的绘制方法 370

7.6.3　用相平面法分析非线性系统 371

思考题与习题 375

小结 375

第8章　线性离散系统的理论基础 380

8.1　线性离散系统的基本概念 380

8.2　离散时间函数的数学表达式及采样定理 381

8.2.1　离散时间函数的数学表达式 382

8.2.2　采样函数f*（t）的频谱分析 382

8.2.3　采样定理 384

8.2.4　信号的复现 384

8.3　z变换 386

8.3.1　z变换的定义 386

8.3.2　z变换的方法 387

8.3.3　z变换的性质 389

8.3.4　z反变换 392

8.4　线性常系数差分方程 393

8.4.1　差分方程的定义 394

8.4.2　差分方程的解法 395

8.5　脉冲传递函数 396

8.5.1　脉冲传递函数的定义 396

8.5.2　脉冲传递函数的推导 396

8.5.3　开环系统脉冲传递函数 398

8.5.4　闭环系统脉冲传递函数 399

8.6　采样控制系统的时域分析 402

8.6.1 z变换法求系统的单位阶跃响应 402

8.6.2　采样系统的稳定性分析 403

8.6.3　采样控制系统的稳态误差 407

8.7　采样控制系统的频域分析 408

8.7.1　双线性变换 409

8.7.2　伯德图 410

8.8.1　用根轨迹法综合数字校正装置 412

8.8　线性离散系统的数字校正 412

8.8.2　数字校正装置的实现 413

8.9　最少拍离散控制系统的分析与设计 415

8.9.1 最少拍系统的闭环脉冲传递函数 415

8.9.2　最少拍系统的设计 416

8.10　用MATLAB进行采样系统分析 421

8.10.1　z变换和z反变换 421

8.10.2　连续系统的离散化 422

8.10.3　采样控制系统的时域分析 423

8.10.4　采样控制系统的频域分析 427

小结 430

思考题与习题 431

名词术语索引 436

附录　本书使用的部分MATLAB指令 441

参考文献 445