第1章 绪论 1
电子与电气学科世界著名学者——瓦特 1
1.1 引言 1
1.2 自动控制的定义和历史回顾 2
1.3 自动控制系统举例及术语定义 4
1.3.1 液位控制系统 4
1.3.2 温度控制系统 5
1.3.3 自动控制系统术语定义 5
1.4 自动控制系统的基本控制方式 6
1.4.1 开环控制 6
1.4.2 闭环控制 7
1.4.3 复合控制 7
1.5 自动控制系统分类 8
1.5.1 按系统特性方程分 8
1.5.2 按参考输入信号的变化规律分 9
1.5.3 按控制系统输入量和输出量的数量分 10
1.5.4 按控制原理分 10
1.6 自动控制系统的基本要求 10
1.7 自动控制原理课程的性质和内容 11
1.8 小结 11
关键术语和概念 12
拓展您的事业——电子学科 13
习题 13
第2章 控制系统的数学模型 15
电子与电气学科世界著名学者——麦克斯韦 15
2.1 引言 16
2.2 控制系统的时域数学模型 16
2.2.1 微分方程与状态变量数学模型 16
2.2.2 线性定常微分方程的解 22
2.2.3 非线性系统的线性化 23
2.2.4 运动的模态 26
2.3 控制系统的复数域数学模型 26
2.3.1 传递函数的定义和性质 26
2.3.2 传递函数的零点和极点 27
2.3.3 传递函数用于分析控制系统性能 28
2.3.4 传递函数数学模型建立举例 30
2.4 控制系统的方框图与信号流图 32
2.4.1 控制系统的方框图 32
2.4.2 方框图的等效变换和简化 34
2.4.3 信号流图 37
2.4.4 多输入系统的传递函数 39
2.5 输入输出模型与状态变量模型之间的关系 40
2.5.1 由输入输出模型转换为状态变量模型 40
2.5.2 由状态变量模型转换为输入输出模型 45
2.5.3 线性定常系统在坐标变换下的特性 45
2.6 数学模型的实验测定法 48
2.6.1 数学模型实验测定的主要方法 48
2.6.2 数学模型的工程辨识 49
2.7 MATLAB用于控制系统模型建立与仿真 49
2.8 小结 53
关键术语和概念 54
拓展您的事业——电气工程学科 54
习题 55
第3章 控制系统时域分析 58
电子与电气学科世界著名学者——维纳 58
3.1 引言 59
3.1.1 典型输入信号 59
3.1.2 时域性能指标 60
3.2 控制系统时域分析 61
3.2.1 一阶系统的时域分析 61
3.2.2 典型二阶系统的时域分析 63
3.2.3 高阶系统的时域分析 71
3.2.4 MATLAB分析控制系统时域响应 73
3.3 线性定常系统的稳定性分析 78
3.3.1 稳定性定义及线性定常系统稳定的充分必要条件 78
3.3.2 劳斯稳定判据 81
3.3.3 劳斯稳定判据的应用 84
3.4 控制系统的稳态误差分析 85
3.4.1 误差定义及稳态误差 85
3.4.2 稳态误差的计算 86
3.4.3 扰动作用下的稳态误差 90
3.4.4 减小或消除稳态误差的措施 92
3.5 小结 94
关键术语和概念 95
拓展您的事业——自动化学科 96
习题 96
第4章 根轨迹技术 103
电子与电气学科世界著名学者——伊文思 103
4.1 引言 104
4.1.1 根轨迹的基本概念 104
4.1.2 根轨迹方程 105
4.2 根轨迹绘制的基本法则 106
4.3 广义根轨迹 119
4.3.1 参数根轨迹 119
4.3.2 正反馈或非最小相位系统的根轨迹 123
4.4 时滞系统的根轨迹 125
4.5 根轨迹法在控制系统中的应用 128
4.6 小结 131
关键术语和概念 132
拓展您的事业——计算机学科 132
习题 133
第5章 线性定常系统的频域分析法 137
电子与电气学科世界著名学者——奈奎斯特 137
5.1 引言 137
5.1.1 频率特性的基本概念与定义 138
5.1.2 频率特性的几何表示法 140
5.2 典型环节频率特性曲线的绘制 142
5.3 系统的开环频率特性 147
5.3.1 开环幅相频率特性曲线的绘制 148
5.3.2 开环对数频率特性曲线 151
5.3.3 传递函数的频域实验确定 155
5.4 线性定常系统频率域稳定判据 157
5.4.1 奈奎斯特稳定判据的数学基础 157
5.4.2 奈奎斯特稳定判据 158
5.4.3 对数频率特性稳定判据 165
5.5 相对稳定性——稳定裕度 169
5.6 闭环系统的频域响应 173
5.6.1 闭环系统的频域性能指标 174
5.6.2 典型二阶系统的Mr、ωr和带宽BW 175
5.6.3 确定闭环频率特性的图解法——尼科尔斯图 176
5.6.4 频域指标和时域指标的转换 181
5.7 MATLAB在系统频域分析中的应用 184
5.8 小结 186
关键术语和概念 187
拓展您的事业——通信系统学科 188
习题 188
第6章 控制系统的校正设计 192
电子与电气学科世界著名学者——伯德 192
6.1 引言 193
6.1.1 控制系统的分析与设计问题 193
6.1.2 不同校正方法的性能指标 194
6.1.3 基本校正方式 195
6.2 控制（校正）器的基本控制规律 196
6.2.1 比例（P）控制规律 196
6.2.2 积分（I）控制规律 197
6.2.3 比例-积分（PI）控制规律 198
6.2.4 比例-微分（PD）控制规律 199
6.2.5 比例-积分-微分（PID）控制规律 201
6.2.6 局部速度反馈控制规律 201
6.3 常用校正装置及特性 202
6.3.1 无源校正电路 203
6.3.2 自动化仪表中的PID控制器 206
6.4 根轨迹法在控制系统校正设计中的应用 206
6.4.1 串联超前校正 207
6.4.2 串联滞后校正 211
6.4.3 串联PID校正 213
6.4.4 局部反馈校正 214
6.5 伯德图频域法在控制系统校正设计中的应用 222
6.5.1 串联超前校正 222
6.5.2 串联滞后校正 226
6.5.3 滞后-超前校正 229
6.5.4 串联校正的预期开环频率特性设计 231
6.6 工业过程控制中PID调节器参数的工程整定 236
6.6.1 飞升曲线法 236
6.6.2 临界比例度法 237
6.7 复合校正控制系统设计 239
6.7.1 按扰动补偿的复合控制 239
6.7.2 按输入补偿的复合控制 240
6.8 实用的PID控制器结构与鲁棒控制问题 242
6.8.1 理想的PID控制器 242
6.8.2 一类实用的PID控制器 243
6.8.3 二自由度PID控制问题 244
6.8.4 鲁棒控制系统的设计 246
6.9 MATLAB在控制系统设计中的应用 256
6.9.1 MATLAB与频域法用于控制系统设计 256
6.9.2 MATLAB与根轨迹法用于控制系统设计 258
6.10 小结 263
关键术语和概念 264
拓展您的事业——-电子仪器学科 264
习题 265
第7章 状态变量系统分析与设计 269
电子与电气学科世界著名学者——卡尔曼 269
7.1 引言 270
7.2 线性定常连续系统的时域响应 270
7.2.1 线性定常系统齐次状态方程的解与状态转移矩阵 270
7.2.2 状态转移矩阵的性质和意义 272
7.2.3 线性定常连续系统非齐次状态方程的解 273
7.3 连续系统的李雅普诺夫稳定性分析 277
7.3.1 李雅普诺夫稳定性概念 277
7.3.2 李雅普诺夫稳定性理论 279
7.3.3 线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析 285
7.3.4 非线性系统的李雅普诺夫稳定性分析-克拉索夫斯基法 287
7.3.5 李雅普诺夫第二法的其他应用 290
7.4 控制系统的能控性和能观测性 293
7.4.1 能控性和能观测性的定义 294
7.4.2 线性定常连续系统的能控性判据 295
7.4.3 线性定常连续系统的能观测性判据 300
7.4.4 线性系统能控性与能观测性的对偶关系 302
7.4.5 控制系统的结构分解 303
7.5 线性定常系统的极点配置设计 309
7.5.1 状态反馈和输出反馈的概念 309
7.5.2 状态变量闭环控制系统的极点配置设计 312
7.5.3 基于状态观测器的控制系统设计 327
7.6 最优控制系统 333
7.6.1 最优控制的数学描述与性能指标 333
7.6.2 基于线性二次型性能指标最优控制设计 336
7.7 小结 347
关键术语和概念 348
拓展您的事业——科学研究与工程教育事业 349
习题 349
第8章 非线性系统 354
电子与电气学科世界著名学者——李雅普诺夫 354
8.1 引言 355
8.1.1 非线性系统的特征 355
8.1.2 非线性系统的研究方法 359
8.2 典型非线性特征及对系统运动的影响 360
8.2.1 继电特性 360
8.2.2 死区特性 362
8.2.3 饱和特性 363
8.2.4 间隙特性 364
8.2.5 摩擦特性 364
8.3 相平面法 365
8.3.1 相平面和相轨迹的基本概念 365
8.3.2 相轨迹的性质 366
8.3.3 相轨迹图解法 367
8.3.4 线性系统的相轨迹 369
8.3.5 非线性系统的相轨迹 372
8.3.6 典型非线性控制系统相平面分析 376
8.4 描述函数法 384
8.4.1 描述函数法的基本概念 384
8.4.2 典型非线性特性的描述函数计算 386
8.4.3 非线性系统的简化 390
8.4.4 利用描述函数分析系统的稳定性 390
8.5 利用非线性特性进行控制系统设计 394
8.5.1 非线性阻尼校正 394
8.5.2 非线性滞后校正 395
8.5.3 基于继电器特性的PID参数自整定控制系统设计 397
8.6 MATLAB在非线性系统分析中的应用 399
8.7 小结 404
关键术语和概念 404
拓展您的事业——电磁学科 405
习题 405
第9章 数字控制系统 409
电子与电气学科世界著名学者——香农 409
9.1 引言 410
9.1.1 采样控制过程 410
9.1.2 数字控制系统组成 412
9.2 信号的采样与保持 413
9.2.1 采样过程 413
9.2.2 采样过程的数学描述 414
9.2.3 香农定理 415
9.2.4 采样周期的选取 416
9.2.5 信号保持 416
9.3 z变换理论 418
9.3.1 z变换的定义 418
9.3.2 z变换方法 419
9.3.3 z变换的基本定理 421
9.3.4 z反变换 423
9.4 离散系统的数学模型 426
9.4.1 线性定常离散系统差分方程及其解法 426
9.4.2 脉冲传递函数 427
9.4.3 开环系统脉冲传递函数 428
9.4.4 闭环系统脉冲传递函数 430
9.5 线性定常离散控制系统的稳定性 432
9.5.1 线性定常离散控制系统稳定的充要条件 432
9.5.2 线性定常离散系统的稳定判据 434
9.6 离散系统的稳态误差 435
9.7 离散系统的动态性能分析 436
9.8 数字控制器的设计 439
9.8.1 模拟化设计方法 439
9.8.2 数字化直接设计方法 440
9.9 MATLAB在数字控制系统中的应用 442
9.9.1 z变换和z反变换的MATLAB实现 442
9.9.2 连续系统模型与离散系统模型的转换 445
9.9.3 线性定常数字控制系统的MATLAB稳定性分析 446
9.9.4 数字控制系统的MATLAB时域分析 449
9.10 小结 455
关键术语和概念 455
拓展您的事业——软件工程学科 456
习题 456
第10章 自动控制系统的设计实例 459
信息技术创新创业先驱——乔布斯 459
10.1 引言 460
10.2 温度控制器的设计与实现 460
10.2.1 温度控制系统分析 460
10.2.2 温度控制系统硬件设计 464
10.2.3 温度控制系统性能测试 469
10.3 倒立摆控制系统设计与实现 470
10.3.1 倒立摆数学模型的建立 471
10.3.2 倒立摆控制系统硬件设计 474
10.3.3 倒立摆控制系统算法仿真 479
10.3.4 倒立摆控制系统实现 488
10.4 小结 489
关键术语和概念 489
拓展您的事业——航空航天学 490
附录A拉普拉斯变换 491
A.1 拉普拉斯变换和反变换的定义 491
A.2 常用函数的拉普拉斯变换 491
A.3 拉普拉斯变换基本定理 494
A.4 拉普拉斯反变换 496
A.5 拉普拉斯变换表 498
附录B李亚普诺夫主稳定性定理的证明 500
附录C常用z变换表 503
参考文献 504