第1章 自动控制系统概论 1
1.1 自动控制系统 1
1.2 开环控制和闭环控制 3
1.2.1 开环控制 3
1.2.2 闭环控制 4
1.3 控制系统的分类 5
1.3.1 线性系统和非线性系统 6
1.3.2 定常系统与时变系统 6
1.3.3 连续系统与离散系统 7
1.3.4 恒值系统、随动系统和程序系统 7
1.3.5 单输入单输出系统与多输入多输出系统 8
1.3.6 确定性系统与不确定性系统 8
1.3.7 集中参数系统与分布参数系统 8
1.3.8 几种先进控制理论介绍 9
1.4 控制系统的组成及对控制系统性能的要求 9
1.4.1 控制系统的组成 9
1.4.2 对控制系统的性能要求 10
1.5 控制理论发展简史 11
1.6 本课程的特点与学习方法 14
小结 14
术语和概念 14
控制与电气学科世界著名学者——麦克斯韦 15
习题 15
第2章 控制系统的数学模型 18
2.1 控制系统数学模型概述 18
2.1.1 数学模型的定义 18
2.1.2 数学模型的简化性与分析准确性 19
2.1.3 数学模型的分类 19
2.1.4 控制系统的建模方法 20
2.2 控制系统的时域数学模型 21
2.2.1 控制系统微分方程的建立 21
2.2.2 非线性微分方程的线性化 24
2.3 数学基础——拉普拉斯变换 28
2.3.1 拉普拉斯变换的定义 28
2.3.2 典型函数的拉氏变换 28
2.3.3 拉氏变换的基本性质 32
2.3.4 拉氏反变换 33
2.3.5 应用拉氏变换解线性微分方程 35
2.4 控制系统的复域数学模型 36
2.4.1 传递函数 36
2.4.2 典型环节的传递函数 39
2.4.3 电气网络的运算阻抗与传递函数 42
2.5 控制系统的方框图和传递函数 44
2.5.1 方框图的概念 44
2.5.2 方框图的基本变换 45
2.5.3 反馈系统的传递函数 47
2.5.4 方框图的化简及其传递函数 50
2.6 信号流图与梅森增益公式 54
2.6.1 信号流图 55
2.6.2 梅森增益公式 56
2.7 相似原理 59
小结 61
术语和概念 62
控制与电气学科世界著名学者——维纳 62
习题 63
第3章 线性系统的时域分析法 67
3.1 典型输入信号及系统性能指标 67
3.1.1 典型输入信号 68
3.1.2 系统时域性能指标 70
3.2 一阶系统的时域分析 71
3.2.1 一阶系统的数学模型 71
3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应 72
3.2.3 一阶系统的单位脉冲响应 73
3.2.4 一阶系统的单位斜坡响应 74
3.2.5 三种响应之间的关系 75
3.3 二阶系统的时域分析 75
3.3.1 二阶系统的数学模型 75
3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应 77
3.3.3 欠阻尼二阶系统的动态性能指标 82
3.3.4 二阶系统的单位脉冲响应 89
3.3.5 二阶系统的单位斜坡响应 90
3.3.6 非零初始条件下的二阶系统响应 92
3.4 高阶系统的时域分析 93
3.4.1 三阶系统的单位阶跃响应 93
3.4.2 高阶系统的单位阶跃响应 95
3.4.3 闭环主导极点 97
3.5 改善控制系统动态性能的方法 99
3.5.1 速度反馈 99
3.5.2 添加零点对系统暂态特性的影响 101
3.6 线性控制系统的稳定性分析 105
3.6.1 稳定的概念 105
3.6.2 线性系统稳定的充要条件 106
3.6.3 劳斯稳定判据 107
3.6.4 赫尔维茨稳定判据 111
3.7 线性控制系统的稳态性能分析 112
3.7.1 控制系统误差与稳态误差 113
3.7.2 控制系统型别 114
3.7.3 终值定理法求稳态误差 115
3.7.4 静态误差系数法求稳态误差 117
3.7.5 扰动信号作用下的稳态误差 121
3.7.6 动态误差系数法求动态误差 122
3.8 减小或消除稳态误差的方法 124
3.8.1 增大开环放大倍数 125
3.8.2 增加串联积分环节 125
3.8.3 复合控制 125
小结 127
术语和概念 127
控制与电气学科世界著名学者——李雅普诺夫 128
习题 128
第4章 线性系统的根轨迹法 132
4.1 控制系统的根轨迹 132
4.2 绘制180°根轨迹的基本规则 135
4.3 广义根轨迹 147
4.3.1 参数根轨迹 147
4.3.2 0°根轨迹 149
4.4 闭环零、极点分布对系统性能的影响 153
4.4.1 系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系 153
4.4.2 根轨迹的稳定性和动态性能分析 154
4.4.3 利用主导极点估算系统的性能指标 157
4.5 添加开环零、极点对根轨迹的影响 158
4.5.1 添加开环零点对根轨迹的影响 158
4.5.2 添加开环极点对根轨迹的影响 160
4.5.3 添加开环偶极子对根轨迹的影响 161
小结 163
术语和概念 163
控制与电气学科世界著名学者——伊文思 164
习题 164
第5章 线性系统的频域分析法 166
5.1 频率特性的基本概念和表示方法 167
5.1.1 频率特性的定义 167
5.1.2 频率特性的几何表示 169
5.2 系统开环奈奎斯特图的绘制 170
5.2.1 典型环节 170
5.2.2 最小相位环节奈奎斯特图的绘制 171
5.2.3 开环奈奎斯特图的绘制 173
5.3 系统开环对数频率特性图的绘制 176
5.3.1 典型环节的对数频率特性图 176
5.3.2 系统开环对数频率特性图的绘制 181
5.3.3 系统的类型与对数幅频特性曲线低频渐近线斜率的对应关系 184
5.4 最小相位系统 185
5.5 传递函数的频域实验确定 186
5.6 奈奎斯特稳定判据 188
5.6.1 幅角定理 188
5.6.2 奈奎斯特稳定性判据 192
5.6.3 对数频率稳定判据 196
5.7 控制系统的相对稳定性 198
5.7.1 相角裕度 198
5.7.2 幅值裕度 199
5.8 系统闭环频率特性与时域性能指标的关系 201
5.8.1 闭环频率特性与频域性能指标 201
5.8.2 二阶系统闭环频域指标与时域指标的关系 203
5.9 系统开环频率特性与时域性能指标的关系 204
5.9.1 开环幅频特性“三频段”与闭环系统性能的关系 204
5.9.2 二阶系统开环频率特性与时域性能指标的关系 207
5.9.3 高阶系统频率特性与时域性能指标的关系 209
小结 209
术语和概念 210
控制与电气学科世界著名学者——奈奎斯特 211
习题 211
第6章 线性系统的综合与校正 215
6.1 概述 215
6.1.1 系统校正的一般概念 215
6.1.2 校正方式 216
6.1.3 校正方法 217
6.2 基本控制规律 219
6.2.1 比例（P）控制规律 219
6.2.2 比例-微分（PD）控制规律 220
6.2.3 积分（I）控制规律 221
6.2.4 比例-积分（PI）控制规律 221
6.2.5 比例-积分-微分（PID）控制规律 222
6.3 串联校正 223
6.3.1 串联超前校正（PD） 223
6.3.2 串联滞后校正（PI） 228
6.3.3 串联滞后-超前校正（PID） 232
6.3.4 串联校正方式比较 236
6.4 串联校正综合法 236
6.4.1 期望频率特性法 237
6.4.2 按最佳典型系统校正方法 239
6.5 反馈校正 243
6.5.1 反馈校正功能 243
6.5.2 用频率法分析反馈校正系统 245
小结 251
术语和概念 251
控制与电气学科世界著名学者——伯德 252
习题 252
第7章 非线性系统的分析 255
7.1 非线性系统概述 255
7.1.1 典型的非线性特性 255
7.1.2 非线性系统的特点 258
7.2 描述函数法 260
7.2.1 描述函数法的基本概念 260
7.2.2 典型非线性特性的描述函数 261
7.2.3 组合非线性特性的描述函数 265
7.2.4 非线性系统的描述函数分析 269
7.3 相平面分析法 277
7.3.1 相平面和相轨迹 277
7.3.2 极限环 279
7.3.3 线性系统的相轨迹 281
7.3.4 相轨迹的绘制方法 285
7.3.5 由相平面图求时间解 289
7.3.6 非线性系统相平面分区线性化分析方法 291
小结 296
术语和概念 297
控制与电气学科世界著名学者——钱学森 297
习题 297
第8章 线性离散系统的分析 301
8.1 概述 301
8.2 采样过程和采样定理 302
8.2.1 采样过程 302
8.2.2 采样定理 304
8.2.3 采样周期的选取 305
8.3 信号的复现 306
8.4 差分方程 307
8.4.1 差分方程的定义 307
8.4.2 差分方程的解法 308
8.5 Z变换 308
8.5.1 Z变换的定义 309
8.5.2 Z变换的方法 309
8.5.3 Z变换的性质 311
8.5.4 Z反变换 313
8.5.5 用Z变换法求解差分方程 315
8.6 脉冲传递函数 315
8.6.1 脉冲传递函数的定义 316
8.6.2 开环系统脉冲传递函数 317
8.6.3 闭环系统脉冲传递函数 319
8.7 采样系统的性能分析 322
8.7.1 稳定性分析 322
8.7.2 稳态性能分析 328
8.7.3 动态性能分析 331
8.7.4 离散系统极点分布与动态响应的关系 332
8.7.5 采样系统的频域分析 334
小结 336
术语和概念 337
控制与电气学科世界著名学者——香农 337
习题 338
第9章 Matlab语言与自动控制系统设计 340
9.1 Matlab语言简介 340
9.1.1 Matlab的数值运算基础 340
9.1.2 矩阵及矩阵函数 341
9.1.3 Matlab的绘图功能 343
9.2 自动控制系统设计 345
9.2.1 时域分析命令 345
9.2.2 频率域命令 348
9.2.3 根轨迹法命令 351
9.2.4 传递函数的常用命令 353
9.2.5 控制系统分析举例 355
小结 361
参考文献 362