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第1章 自动控制的基本概念 1

1.1 自动控制理论的发展和应用 1

1.1.1 自动控制理论的发展历程 1

1.1.2 自动控制应用实例 2

1.2 本课程的作用及特点 4

1.2.1 本课程的作用 4

1.2.2 本课程的特点 4

1.2.3 本课程知识的联系性 4

1.3 系统的基本控制方式 4

1.3.1 开环控制及特点 5

1.3.2 闭环控制及特点 5

1.3.3 补偿控制及特点 6

1.3.4 复合控制及特点 7

1.3.5 控制方式选择 7

1.4 自控系统的组成和术语 7

1.4.1 自控系统组成 8

1.4.2 自控系统的名词术语 8

1.5 控制系统的分类 8

1.5.1 按信号流向分类 9

1.5.2 按系统输入信号分类 9

1.5.3 按系统元器件特性分类 9

1.5.4 按系统参数特征分类 10

1.5.5 按变量函数特征分类 10

1.5.6 按输入输出量分类 10

1.6 对控制系统性能的基本要求 11

小结 12

习题 13

第2章 线性系统的数学模型 14

2.1 线性系统的微分方程 14

2.1.1 微分方程的建立 15

2.1.2 微分方程的一般表达式 17

2.2 非线性微分方程的线性化 18

2.3 线性定常系统的传递函数 20

2.3.1 传递函数的定义 20

2.3.2 传递函数的特点 21

2.3.3 典型环节及其传递函数 22

2.4 控制系统的结构图 26

2.4.1 结构图的组成 26

2.4.2 结构图的绘制 27

2.4.3 控制系统环节间的连接 31

2.4.4 结构图的等效变换和化简 33

2.5 用Matlab软件建立数学模型 38

2.5.1 传递函数 39

2.5.2 控制系统的建立 40

小结 42

习题 42

第3章 时域响应分析法 46

3.1 自动控制系统的典型输入信号 46

3.2 线性定常系统的时域响应 48

3.2.1 时域分析法 48

3.2.2 时域响应 49

3.2.3 时域响应的性能指标 49

3.3 线性定常系统的稳定性 50

3.3.1 稳定性概念 50

3.3.2 线性系统稳定的充要条件 51

3.3.3 劳斯判据 52

3.3.4 劳斯判据的应用 55

3.3.5 相对稳定性和稳定裕量 57

3.4 系统的稳态误差 58

3.4.1 误差 58

3.4.2 稳态误差 58

3.4.3 稳态误差ess的计算 59

3.4.4 改善系统稳态精度的途径 64

3.5 一阶系统的时域响应 65

3.5.1 数学模型 65

3.5.2 单位阶跃响应 65

3.5.3 性能指标计算 66

3.5.4 单位脉冲响应 66

3.6 二阶系统的时域响应 67

3.6.1 数学模型 67

3.6.2 单位阶跃响应 67

3.6.3 系统性能指标 71

3.6.4 单位脉冲响应 73

3.6.5 改善二阶系统性能的措施 74

3.7 高阶系统的暂态响应 76

3.7.1 高阶系统的传递函数 76

3.7.2 高阶系统的降阶 78

3.8 用Matlab进行时域响应分析 79

3.8.1 单位脉冲响应 79

3.8.2 单位阶跃响应 80

3.8.3 单位斜坡响应 80

3.8.4 性能指标 81

3.8.5 系统稳定性分析 82

小结 83

习题 84

第4章 根轨迹分析法 88

4.1 根轨迹的基本概念 88

4.2 绘制典型根轨迹 90

4.2.1 根轨迹方程 90

4.2.2 根轨迹绘制的基本规则 91

4.2.3 根轨迹绘制 103

4.3 根轨迹分析系统的性能 106

4.3.1 根轨迹与稳定性 106

4.3.2 引入开环零、极点对根轨迹的影响 107

4.3.3 使用根轨迹法确定主导极点 109

4.4 用Matlab进行根轨迹分析和校正 111

4.4.1 使用Matlab绘制根轨迹图 111

4.4.2 用Matlab进行根轨迹分析和校正 113

小结 121

习题 122

第5章 频域分析法 124

5.1 频率特性 124

5.1.1 频率特性的定义 124

5.1.2 频率特性的求取 125

5.1.3 频域性能指标 126

5.2 开环对数频率特性 126

5.2.1 对数坐标图 127

5.2.2 典型环节的频率特性 127

5.2.3 系统的开环对数频率特性 134

5.2.4 最小相位系统与非最小相位系统 138

5.3 系统开环极坐标图 140

5.3.1 极坐标图 140

5.3.2 系统开环极坐标图 141

5.4 奈氏稳定判据 142

5.4.1 奈氏曲线及映射 142

5.4.2 奈氏稳定判据一 144

5.4.3 奈氏稳定判据二 145

5.4.4 奈氏对数稳定判据 145

5.5 系统相对稳定性 147

5.5.1 增益裕量Kg 147

5.5.2 相角裕量γ 149

5.5.3 用幅相频率特性分析系统的稳定性 149

5.6 用频率特性分析系统品质 150

5.6.1 开环频率特性与时域响应的关系 150

5.6.2 闭环频域性能指标与时域性能指标的关系 152

5.7 用Matlab实现频率特性分析 153

5.7.1 伯得图绘制和分析 153

5.7.2 奈奎斯特图绘制和分析 155

小结 156

习题 157

第6章 控制系统的设计与校正 161

6.1 概述 161

6.1.1 系统各种性能指标的关系 161

6.1.2 系统校正 162

6.2 串联超前校正 164

6.2.1 串联超前校正装置及其特性 164

6.2.2 系统的串联超前校正 165

6.3 串联滞后校正 168

6.3.1 串联滞后校正装置及特点 168

6.3.2 系统的串联滞后校正 170

6.4 系统滞后－超前校正 174

6.4.1 串联滞后－超前校正装置 174

6.4.2 系统的串联滞后－超前校正 175

6.5 按期望特性对系统校正 176

6.6 线性系统的基本控制（校正）规律 178

6.6.1 PID控制规律 178

6.6.2 PID控制器的实现与应用 180

6.7 反馈校正 182

6.7.1 比例反馈校正 182

6.7.2 微分反馈校正 183

6.7.3 反馈校正的设计 183

6.8 复合校正 184

6.8.1 反馈与前馈校正的复合控制 184

6.8.2 反馈与扰动补偿的复合控制 185

6.9 基于Matlab和Simulink的线性控制系统设计 186

6.9.1 超前校正和滞后校正 186

6.9.2 用Simulink实现线性控制系统设计仿真 188

小结 189

习题 190

第7章 非线性系统分析 194

7.1 典型的非线性特性 196

7.2 相平面法 199

7.2.1 相平面的基本概念 199

7.2.2 相轨迹图 200

7.2.3 相轨迹的绘制方法 201

7.3 线性系统的相轨迹 204

7.3.1 二阶线性系统的相轨迹 204

7.3.2 奇点的稳定性 205

7.4 非线性系统的相平面分析 206

7.4.1 饱和特性的非线性系统分析 206

7.4.2 继电器的非线性特性系统分析 207

7.4.3 极限环 208

7.5 描述函数法 209

7.5.1 描述函数定义 210

7.5.2 描述函数的计算 211

7.5.3 非线性系统的描述函数分析 218

7.6 用Simulink实现非线性控制系统设计仿真 221

小结 223

习题 224

第8章 采样控制系统分析 227

8.1 采样控制系统 227

8.1.1 采样控制系统的基本结构 227

8.1.2 采样过程与采样定理 228

8.2 采样信号保持器 230

8.2.1 零阶保持器 230

8.2.2 一阶保持器 232

8.3 Z变换 233

8.3.1 Z变换定义 233

8.3.2 Z变换方法 234

8.3.3 Z变换性质 236

8.3.4 Z反变换 237

8.4 采样控制系统的数学模型 240

8.4.1 线性常系数差分方程 240

8.4.2 脉冲传递函数 242

8.4.3 开环系统脉冲传递函数 243

8.4.4 闭环系统脉冲传递函数 245

8.5 采样控制系统的稳定性分析 248

8.5.1 从s平面到z平面的映射 249

8.5.2 线性采样控制系统的稳定条件 249

8.5.3 线性采样控制系统的稳定判据 250

8.6 采样控制系统的稳态误差 252

8.7 采样控制系统的瞬态响应与脉冲传递函数极点分布关系 255

8.8 采样控制系统的校正 257

8.8.1 数字控制器的脉冲传递函数 257

8.8.2 最小拍控制系统的脉冲传递函数 258

8.8.3 最小拍控制系统的设计 259

8.9 基于Matlab的采样控制系统仿真 261

8.9.1 脉冲传递函数在Matlab中的表示 261

8.9.2 连续系统模型与采样系统模型的转换 262

8.9.3 求采样控制系统的时间响应 262

8.9.4 采样控制系统的性能分析 263

小结 264

习题 266

附录 270

附录A 常用函数的拉普拉斯变换表 270

附录B 常用函数的Z变换表 271

附录C 留数法求Z变换 272

附录D 留数法求Z反变换 273

参考文献 275