第1章 自动控制的一般概念 1
1.1 引言 1
1.2 自动控制简史 1
1.3 自动控制系统的基本概念 2
1.3.1 自动控制系统 2
1.3.2 控制方式的分类 5
1.3.3 开环与闭环控制系统的比较 6
1.4 自动控制系统的分类及组成 7
1.4.1 自动控制系统的分类 7
1.4.2 自动控制系统的组成 7
1.5 对控制系统的性能要求 8
1.5.1 自动控制系统的性能要求 8
1.5.2 自动控制系统的典型外作用 9
本章小结 9
第2章 控制系统的数学模型 10
2.1 引言 10
2.2 控制系统的时域数学模型 11
2.2.1 控制系统的微分方程 11
2.2.2 控制系统的线性近似 13
2.3 拉普拉斯变换 16
2.3.1 拉普拉斯变换的定义 16
2.3.2 拉普拉斯变换的常用定理 17
2.3.3 拉普拉斯反变换 20
2.3.4 微分方程的求解 22
2.4 控制系统的复域数学模型 23
2.4.1 传递函数 23
2.4.2 传递函数的极点和零点对输出的影响 25
2.4.3 典型元部件的传递函数 26
2.5 控制系统的结构图与信号流图 27
2.5.1 控制系统的结构图 27
2.5.2 控制系统的信号流图 32
2.5.3 闭环系统的常用传递函数 36
2.6 控制系统建模的应用研究 37
2.6.1 数学模型的实验测定 37
2.6.2 利用MATLAB进行系统建模 38
2.7 控制系统建模的设计实例 40
本章小结 42
本章习题辅导 43
第3章 线性系统的时域分析法 54
3.1 引言 54
3.2 线性系统的时域性能指标 54
3.2.1 典型输入信号 54
3.2.2 动态性能与稳态性能 56
3.3 线性系统的稳定性分析 58
3.3.1 稳定性的基本概念 58
3.3.2 线性系统稳定的充分必要条件 59
3.3.3 劳斯稳定判据 61
3.3.4 劳斯稳定判据的特殊情况 62
3.3.5 劳斯稳定判据的应用 64
3.4 线性系统的快速性分析 67
3.4.1 一阶系统的时域分析 67
3.4.2 二阶系统的时域分析 71
3.4.3 高阶系统的时域分析 79
3.5 线性系统的准确性分析 82
3.5.1 线性系统的稳态误差计算 82
3.5.2 减小和消除稳态误差的方法 88
3.6 线性系统的时域法校正 91
3.6.1 比例—微分环节（PD）校正 91
3.6.2 比例—积分环节（PI）校正 93
3.6.3 比例—积分—微分环节（PID）校正 94
3.7 线性系统时域法的应用 94
3.7.1 利用MATLAB研究时域法 94
3.7.2 时域分析法的设计实例 96
本章小结 98
本章习题辅导 98
第4章 线性系统的根轨迹法 111
4.1 引言 111
4.2 根轨迹法的基本概念 111
4.2.1 闭环零、极点与开环零、极点的关系 112
4.2.2 根轨迹方程 114
4.3 根轨迹绘制的基本法则 115
4.3.1 绘制根轨迹的基本法则 115
4.3.2 闭环极点的确定 122
4.4 广义根轨迹 124
4.4.1 参数根轨迹 124
4.4.2 零度根轨迹 125
4.5 线性系统的控制性能分析 127
4.5.1 闭环零、极点分布与阶跃响应的定性分析 128
4.5.2 主导极点与偶极子的概念 128
4.5.3 用主导极点估算系统的性能 130
4.6 线性系统的根轨迹法校正 132
4.6.1 超前校正 132
4.6.2 滞后校正 136
4.6.3 超前—滞后校正 137
4.7 线性系统根轨迹法的应用 139
4.7.1 利用MATLAB研究根轨迹法 139
4.7.2 根轨迹法的设计实例 141
本章小结 143
本章习题辅导 143
第5章 线性系统的频域分析法 154
5.1 引言 154
5.2 频率特性 154
5.2.1 频率特性的基本概念 154
5.2.2 频率特性的几何表示方法 156
5.3 开环系统的频率特性 159
5.3.1 典型环节的频率特性 159
5.3.2 开环系统的频率特性 169
5.4 线性系统的稳定性分析 177
5.4.1 频率域稳定判据 177
5.4.2 稳定裕度 183
5.5 闭环系统的频域性能指标 184
5.5.1 控制系统的带宽 185
5.5.2 闭环系统频域性能指标和时域指标的转换 185
5.5.3 闭环频率特性 187
5.6 线性系统的频域法校正 189
5.6.1 串联超前校正 190
5.6.2 串联滞后校正 193
5.6.3 串联滞后—超前校正 196
5.7 线性系统频域法的应用 199
本章小结 203
本章习题辅导 204
第6章 线性离散系统的分析 216
6.1 引言 216
6.2 离散控制系统的基本概念 216
6.2.1 离散控制系统的应用 216
6.2.2 离散控制系统的特点 217
6.2.3 离散控制系统的研究方法 218
6.3 信号的采样和保持 218
6.3.1 采样过程 218
6.3.2 采样过程的数学描述 219
6.3.3 采样定理 220
6.3.4 零阶保持器 222
6.4 Z变换理论 224
6.4.1 Z变换的定义 224
6.4.2 Z变换的求法 225
6.4.3 Z变换的基本定理 228
6.4.4 Z反变换 230
6.5 离散系统的数学模型 233
6.5.1 离散系统的数学定义 233
6.5.2 线性常系数差分方程及其解法 233
6.5.3 脉冲传递函数 235
6.6 离散系统的稳定性分析 243
6.6.1 离散控制系统稳定的充要条件 243
6.6.2 劳斯稳定判据 243
6.6.3 朱利稳定判据 246
6.6.4 采样周期与开环增益对稳定性的影响 247
6.6.5 离散系统的稳态误差分析 247
6.7 离散系统的动态性能分析 251
6.7.1 离散控制系统的时间响应及性能指标 251
6.7.2 闭环极点的分布与动态性能的关系 254
6.8 离散系统的数字校正 256
6.8.1 校正方式 256
6.8.2 数字控制器的脉冲传递函数 257
6.8.3 最少拍系统及设计 258
6.8.4 最少拍无纹波系统设计 261
本章小结 265
本章习题辅导 265
第7章 非线性控制系统分析 274
7.1 引言 274
7.2 非线性控制系统概述 274
7.2.1 非线性系统的特点 274
7.2.2 非线性系统的分析与设计方法 277
7.3 常见非线性特性及其对系统性能的影响 277
7.4 相平面法 283
7.4.1 相平面的基本概念 283
7.4.2 相轨迹的绘制方法 284
7.4.3 线性系统的相轨迹 287
7.4.4 奇点和奇线 291
7.4.5 非线性系统的相平面分析 295
7.5 描述函数法 296
7.5.1 描述函数的基本概念 296
7.5.2 典型非线性特性描述函数 298
7.5.3 非线性系统的简化 304
7.5.4 描述函数法进行非线性系统分析 307
7.6 非线性控制系统的设计实例 312
本章小结 316
本章习题辅导 316
第8章 线性系统的状态空间分析与综合 329
8.1 引言 329
8.2 线性系统的状态空间描述 330
8.2.1 状态与状态变量 330
8.2.2 状态空间表达式 330
8.2.3 状态空间表达式的建立方法 332
8.2.4 线性连续时不变系统状态方程的解 341
8.2.5 系统的传递函数矩阵 346
8.2.6 线性系统状态空间模型的线性变换 347
8.2.7 线性离散系统的状态空间模型 352
8.3 线性系统的能控性和能观性 354
8.3.1 线性连续系统的能控性 354
8.3.2 输出能控性 356
8.3.3 线性连续系统的能观性 357
8.3.4 状态空间表达式的能控和能观标准型转化 359
8.3.5 线性定常系统的规范分解 364
8.3.6 离散系统的能控性和能观性 367
8.4 李雅普诺夫稳定性分析 370
8.4.1 李雅普诺夫意义下的稳定性 371
8.4.2 李雅普诺夫第一法（间接法） 372
8.4.3 李雅普诺夫第二法（直接法） 373
8.4.4 李雅普诺夫第二法在线性定常系统中的应用 376
8.5 线性定常系统的状态综合 378
8.5.1 两种常用反馈控制结构 379
8.5.2 反馈结构对系统性能的影响 380
8.5.3 系统的极点配置 382
8.5.4 全维状态观测器 384
8.5.5 分离特性 387
8.6 状态空间分析法的设计实例 388
本章小结 391
本章习题辅导 391
第9章 最优控制理论基础 405
9.1 引言 405
9.2 最优控制问题导论 405
9.3 最优控制中的变分法 408
9.3.1 微积分基础 409
9.3.2 泛函与变分法基本概念 411
9.3.3 泛函极值问题与欧拉方程 412
9.3.4 条件泛函极值与动态系统的最优控制问题 416
9.4 极小值原理及其应用 425
9.4.1 经典变分法的局限 425
9.4.2 连续系统的极小值原理 425
9.4.3 极小值原理的应用 427
9.5 线性二次型最优控制问题 433
9.5.1 线性二次型问题 433
9.5.2 线性系统状态调节器问题 434
9.5.3 倒立摆的最优控制问题 438
9.6 动态规划 441
9.6.1 动态规划基本思想 441
9.6.2 动态规划法求解离散最优控制问题 443
本章小结 444
本章习题辅导 445
各章课后练习题参考答案 454
参考文献 472