第一章 绪论 1
1-1引言 1
1-1-1控制系统的基本组成部分 1
1-1-2控制系统应用举例 2
1-1-3开环控制系统（无反馈系统） 5
1-1-4闭环控制系统（反馈控制系统） 6
1-2反馈的含义及其作用 6
1-2-2反馈对于稳定性的影响 7
1-2-1反馈对于总增益的影响 7
1-2-3反馈对于外部干扰或噪声的作用 9
1-3反馈控制系统的类型 9
1-3-1线性系统与非线性系统 10
1-3-2定常与时变系统 10
1-4小结 12
复习题 12
第二章 数学基础 14
2-1引言 14
2-2-1 Laplace变换的定义 15
2-2 Laplace变换 15
2-2-2 Laplace反变换 16
2-2-3 Laplace变换的基本定理 16
2-3通过部分因式展开来求Laplace反变换 19
2-3-1部分因式展开 19
2-4应用Laplace变换法求解线性常微分方程 22
2-5线性系统的脉冲响应与传递函数 24
2-5-1脉冲响应 25
2-5-2单输入单输出系统的传递函数 25
2-5-3多变量系统的传递函数 26
2-6 MATLAB工具和案例分析 28
2-6-1传递函数工具箱的介绍及其使用 28
2-7小结 38
复习题 38
参考文献 38
习题 39
附加计算机练习题 40
第三章 方块图和信号流图 41
3-1方块图 41
3-1-1控制系统的方块图 42
3-1-2方块图和多变量系统传递函数 43
3-2信号流图 45
3-2-1信号流图的基本元素 45
3-2-2信号流图的基本性质 46
3-2-3信号流图术语的定义 47
3-2-4信号流图代数 48
3-2-5反馈控制系统的信号流图 49
3-2-6信号流图增益公式 50
3-2-7在输出节点与非输入节点间应用增益公式 52
3-2-8增益公式在方块图中的应用 52
3-3状态图 54
3-3-1根据微分方程得到状态图 55
3-3-2根据状态图得到传递函数 56
3-3-3根据状态图得到状态方程和输出方程 56
3-4 MATLAB工具和案例分析 58
3-5 小结 60
复习题 61
参考文献 61
习题 62
4-2电气网络的模型 72
第四章 物理系统的模型 72
4-1引言 72
4-3机械系统的模型 75
4-3-1平移运动 75
4-3-2旋转运动 77
4-3-3平移运动与旋转运动之间的转换 79
4-3-4齿轮传动链 80
4-3-5齿隙和死区（非线性特性） 82
4-4机械系统的方程 82
4-5-1电位计 87
4-5控制系统中的感应器和编码器 87
4-5-2转速计 91
4-5-3增量式编码器 93
4-6控制系统中的直流电动机 95
4-6-1直流电动机的基本操作原理 96
4-6-2永磁直流电动机的基本分类 96
4-6-3永磁直流电动机的数学模型 98
4-7非线性系统的线性化 101
4-8具有传输滞后的系统（时滞系统） 105
4-8-1通过有理函数近似表达时滞函数 106
4-9 一个太阳观测系统的例子 107
4-9-1坐标系统 108
4-9-2误差辨别器 108
4-9-3反向放大器 109
4-9-4伺服放大器 109
4-9-5转速计 109
4-9-6直流电动机 109
4-11小结 110
4-10 MATLAB工具和案例分析 110
复习题 111
参考文献 111
习题 112
第五章 状态变量分析 127
5-1引言 127
5-2状态方程的向量-矩阵描述 127
5-3状态转移矩阵 129
5-3-1状态转移矩阵的意义 130
5-3-2状态转移矩阵的性质 130
5-4状态转移方程 131
5-4-1从状态图求状态传递方程 133
5-5状态方程与高阶微分方程之间的关系 135
5-6状态方程与传递函数之间的关系 137
5-7特征方程、特征值和特征向量 139
5-7-1特征值 140
5-7-2特征向量 141
5-8相似变换 143
5-8-1相似变换的不变特性 143
5-8-2能控标准型（CCF） 144
5-8-3能观标准型（OCF） 145
5-8-4对角标准型（DCF） 147
5-8-5 Jordan标准型（JCF） 148
5-9传递函数的分解 149
5-9-1直接分解 150
5-9-2串级分解 153
5-9-3并行分解 154
5-10控制系统的能控性 156
5-10-1能控性的概念 157
5-10-2状态能控性的定义 157
5-10-3能控性的其他检验方法 158
5-11线性系统的能观性 160
5-11-1能观性的定义 160
5-11-2能观性的其他检验方法 160
5-12能控性、能观性和传递函数之间的关系 161
5-13能控性和能观性的不变性定理 163
5-14实例：磁球悬浮系统 164
5-15 MATLAB工具和案例分析 167
5-15-1状态空间分析工具箱的使用说明 167
5-15-3另一个例子 174
5-15-2状态空间应用的TFsym工具箱的使用说明 174
5-16 小结 180
复习题 181
参考文献 181
习题 181
附加计算机练习题 194
第六章 线性控制系统稳定性 195
6-1引言 195
6-2连续时间系统的有界输入、有界输出（BIBO）稳定性 195
6-2-1特征方程的根和稳定性之间的关系 196
6-3连续时间系统的零输入和渐近稳定性 197
6-4稳定性判定方法 198
6-5 Routh-Hurwitz判据 199
6-5-1 Routh表格［1］ 200
6-5-2当Routh表格提前中止时的特殊情形 201
6-6 MATLAB工具和案例分析 204
6-7小结 207
复习题 209
参考文献 209
习题 209
复习题答案 213
附加计算机练习题 213
第七章 控制系统的时域分析 214
7-1连续时间系统的时间响应：引言 214
7-2控制系统时间响应的典型测试信号 215
7-3单位阶跃响应和时域描述 216
7-4稳态误差 217
7-4-1线性连续时间控制系统的稳态误差 218
7-4-2非线性系统元件产生的稳态误差 228
7-5-1直流电动机的转速控制 229
7-5一阶系统的时间响应 229
7-6典型二阶系统的暂态响应 230
7-6-1阻尼比和阻尼因子 232
7-6-2自然无阻尼频率 232
7-6-3最大超调 235
7-6-4延迟时间和上升时间 236
7-6-5调节时间 238
7-7定位控制系统的时域分析 241
7-7-1单位阶跃暂态响应 244
7-7-2稳态响应 246
7-7-3单位斜坡输入的时间响应 247
7-7-4一个三阶系统的时间响应 248
7-8传递函数增加零极点的影响 251
7-8-1在前向通道传递函数中增加一个极点：单位反馈系统 251
7-8-2在闭环传递函数中增加一个极点 252
7-8-3在闭环传递函数中增加一个零点 254
7-8-4在前向通道传递函数中增加一个零点：单位反馈系统 254
7-9传递函数的主导极点 256
7-9-1相对阻尼比 257
7-9-2基于稳态响应的考虑，忽略次要极点的适当方法 257
7-10-1近似准则 258
7-10用低阶系统近似高阶系统：标准方法 258
7-11 MATLAB工具和案例分析 266
7-12小结 280
复习题 280
参考文献 281
习题 281
附加计算机练习题 288
判断题答案 288
8-1引言 289
第八章 根轨迹法 289
8-2根轨迹（RL）的基本性质 290
8-3根轨迹的性质 293
8-3-1 K=0和K=±∞的点 293
8-3-2 RL的分支数 294
8-3-3 RL的对称性 294
8-3-4 RL的渐近线交角：|s|=∞处RL的行为 294
8-3-5渐近线的交点（质心） 295
8-3-6实轴上的根轨迹 295
8-3-9 RL的分离点（鞍点） 296
8-3-7 RL的出射角与入射角 296
8-3-8 RL与虚轴的交点 296
8-3-10根敏感度［17,18,19］ 297
8-4根轨迹设计 300
8-4-1在G(s)H(s)中增加零极点的影响 300
8-5根轨迹族：多参数变化情形 306
8-6 MATLAB工具与根轨迹 311
8-7小结 314
复习题 314
参考文献 315
习题 316
判断题答案 320
第九章 频域分析 321
9-1引言 321
9-1-1闭环系统的频域响应 322
9-1-2频域性能指标 323
9-2标准二阶系统的Mr、wr和带宽BW 324
9-2-1谐振峰值和谐振频率 324
9-2-2带宽 326
9-3增加开环传递函数零点的影响 328
9-4增加开环传递函数极点的影响 332
9-5 Nyquist稳定性判据：基础 333
9-5-1稳定性问题 333
9-5-2环绕和包围的定义 334
9-5-3环绕和包围次数 335
9-5-4幅角原理 336
9-5-5 Nyquist曲线 339
9-5-6 Nyquist判据以及L（s）或G（s）H（s）图 340
9-6具有最小相位传递函数系统的Nyquist判据 340
9-6-1应用Nyquist判据于非严真的最小相位传递函数 341
9-7根轨迹和Nyquist图的关系 342
9-8示例：最小相位传递函数的Nyquist判据 344
9-9增加L（s）的极点和零点对Nyquist图的形状的影响 348
9-10相对稳定性：增益裕量和相位裕量 352
9-10-1增益裕量 354
9-10-2相位裕量 355
9-11用Bode图作稳定性分析 357
9-11-1具有纯时滞的系统的Bode图 358
9-12-1条件稳定系统 361
9-12 Bode图的幅值曲线的斜率与相对稳定性的关系 361
9-13用幅值－相位曲线进行稳定性分析 364
9-14幅值－相位图中的定常M曲线：Nichols图 365
9-15 Nichols图应用于非单位反馈系统 371
9-16频域中敏感度研究 372
9-17 MATLAB工具和案例分析 374
9-18小结 386
复习题 387
习题 388
参考文献 388
附加计算机练习题 396
判断题答案 396
第十章 控制系统的设计 397
10-1引言 397
10-1-1设计要求 397
10-1-2控制器结构 398
10-1-3设计的基本原则 400
10-2 PD控制器的设计 401
10-2-1 PD控制的时域分析 403
10-2-2 PD控制的频域分析 404
10-2-3 PD控制作用总结 405
10-3 PI控制器的设计 416
10-3-1 PI控制的时域分析与设计 418
10-3-2 PI控制的频域分析与设计 418
10-4 PID控制器的设计 430
10-5相位超前控制器的设计 433
10-5-1相位超前控制的时域分析及设计 435
10-5-2相位超前控制的频域分析与设计 435
10-5-3相位超前补偿的作用 450
10-5-4单阶相位超前控制的局限性 451
10-5-5多阶相位超前控制器 451
10-5-6敏感度考虑 454
10-6相位滞后控制器的设计 456
10-6-1相位滞后控制的时域分析和设计 456
10-6-2相位滞后控制的频域分析和设计 459
10-6-3相位滞后控制的作用和局限性 468
10-7超前－滞后控制器的设计 468
10-8零极点对消设计：陷波滤波器 470
10-8-1二阶有源滤波器 472
10-8-2频域解释和设计 473
10-9前向和前馈控制器 481
10-10鲁棒控制系统的设计 482
10-11次环反馈控制 491
10-11-1速率反馈或转速计反馈控制 491
10-11-2含有源滤波器的次环反馈控制 492
10-12状态反馈控制 494
10-13通过状态反馈进行极点配置设计 496
10-14含积分控制的状态反馈 500
10-15 MATLAB工具和案例分析 506
10-16小结 518
复习题 519
参考文献 519
习题 520
判断题答案 535
第十一章 虚拟实验室 536
11-1 引言 536
11-2直流电动机响应的重要方面 536
11-2-1 速度响应、自感效应和扰动-开环响应 537
11-2-2直流电动机的速度控制：闭环响应 539
11-2-3位置控制 540
11-3虚拟实验系统的描述 541
11-3-1 电动机 541
11-3-2位置传感器或速度传感器 542
11-3-3功率放大器 542
11-3-4接口 542
11-4 SIMLab和Virtual Lab软件的描述 542
11-5仿真和虚拟实验 546
11-5-1开环速度 547
11-5-2开环正弦输入 549
11-5-3速度控制 551
11-5-4位置控制 553
11-6设计项目 555
11-7小结 560
参考文献 560
习题 560
Laplace变换表 563
译后记 565