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1 绪论1

1.1 概述1

1.2 工程控制论的研究对象与任务2

1.2.1 工程控制论的研究对象2

1.2.2 工程控制论的研究任务2

1.3 控制系统的基本概念、工作原理及基本组成4

1.3.1 反馈的概念4

1.3.2 控制系统的工作原理5

1.3.3 反馈控制系统的基本组成7

1.4 控制系统的分类及对控制系统的基本要求8

1.4.1 控制系统的分类8

1.4.2 对控制系统的基本要求9

习题10

2 控制系统的数学模型12

2.1 系统的微分方程12

2.1.1 概述12

2.1.2 列写微分方程的一般方法12

2.1.3 机械系统的微分方程14

2.1.4 电气系统的微分方程15

2.1.5 液压系统的微分方程16

2.2 拉普拉斯变换的数学方法17

2.2.1 拉氏变换的定义17

2.2.2 拉氏变换定理18

2.2.3 拉氏反变换的数学方法20

2.2.4 用拉氏变换解常微分方程22

2.3 传递函数23

2.3.1 传递函数的定义和特点23

2.3.2 传递函数的零点、极点和放大系数24

2.3.3 典型环节的传递函数25

2.3.4 相似系统30

2.4 传递函数方框图及其简化30

2.4.1 方框图的结构要素31

2.4.2 环节的基本连接方式31

2.4.3 方框图的变换33

2.4.4 梅森公式36

2.5 多输入反馈控制系统的传递函数38

2.6 利用MATLAB建立系统数学模型40

2.6.1 MATLAB中数学模型的表示40

2.6.2 模型之间的转换41

2.6.3 系统建模41

2.6.4 进行部分分式展开43

习题44

3 控制系统的时域分析47

3.1 概述47

3.1.1 时间响应及其组成47

3.1.2 典型输入信号49

3.2 一阶系统的时间响应50

3.2.1 典型一阶系统的数学模型50

3.2.2 一阶系统的单位脉冲响应50

3.2.3 一阶系统的单位阶跃响应51

3.2.4 线性系统响应之间的关系52

3.3 二阶系统的时间响应52

3.3.1 典型二阶系统的数学模型52

3.3.2 二阶系统的单位脉冲响应53

3.3.3 二阶系统的单位阶跃响应54

3.4 二阶系统瞬态响应性能指标55

3.4.1 常用的性能指标56

3.4.2 二阶系统性能指标计算举例58

3.5 系统的误差分析与计算60

3.5.1 系统的误差e（t）与偏差ε（t）60

3.5.2 误差e（t）的一般计算61

3.5.3 与输入有关的稳态偏差62

3.5.4 与干扰有关的稳态偏差64

3.6 利用MATLAB进行时域分析66

3.6.1 用MATLAB求系统时间响应66

3.6.2 利用MATLAB求系统的瞬态性能指标67

习题69

4 控制系统的频域分析72

4.1 频率特性概述72

4.1.1 频率特性的基本概念72

4.1.2 频率特性的求法74

4.1.3 频率特性的表示方法75

4.2 频率特性的极坐标图（Nyquist图）76

4.2.1 极坐标图的基本概念76

4.2.2 典型环节极坐标图76

4.2.3 绘制系统极坐标图的一般步骤80

4.3 频率特性的对数坐标图（Bode图）82

4.3.1 对数坐标图的基本概念82

4.3.2 典型环节的对数坐标图83

4.3.3 绘制系统对数坐标图的一般步骤89

4.4 频率特性的特征量90

4.5 最小相位系统的基本概念92

4.6 系统辨识93

4.6.1 系统辨识的一般方法93

4.6.2 利用Bode图进行最小相位系统辨识93

4.6.3 用Bode图对最小相位系统进行辨识的步骤94

4.7 利用MATLAB进行频域分析97

4.7.1 用MATLAB绘制Nyquist图和Bode图97

4.7.2 利用MATLAB求系统的频域特征量98

习题100

5 控制系统的稳定性分析102

5.1 概述102

5.1.1 稳定的基本概念102

5.1.2 判别系统稳定性的基本准则103

5.1.3 确定系统稳定的方法105

5.2 Routh（劳斯）稳定判据106

5.2.1 Routh稳定判据的基本原理106

5.2.2 Routh稳定判据的特殊情况108

5.2.3 Routh稳定判据的应用110

5.3 Nyquist（奈奎斯特）稳定判据112

5.3.1 Nyquist稳定判据基础112

5.3.2 应用Nyquist稳定判据的步骤117

5.3.3 穿越的概念119

5.4 Bode（伯德）稳定判据119

5.4.1 Nyquist图与Bode图的对应关系120

5.4.2 穿越的概念120

5.4.3 Bode稳定判据的充要条件121

5.5 系统的相对稳定性121

5.5.1 相位裕量γ122

5.5.2 幅值裕量Kg122

5.6 利用MATLAB进行稳定性分析123

5.6.1 利用MATLAB求系统的特征根124

5.6.2 利用MATLAB分析系统的相对稳定性124

习题126

6 控制系统的校正与设计129

6.1 控制系统的性能指标130

6.1.1 时域性能指标130

6.1.2 频域性能指标131

6.1.3 综合性能指标（误差准则）131

6.1.4 时域与频域性能指标之间的关系131

6.2 控制系统校正的基本概念132

6.2.1 校正的概念132

6.2.2 校正的方式133

6.3 控制系统的串联校正134

6.3.1 增益调整134

6.3.2 相位超前校正135

6.3.3 相位滞后校正139

6.3.4 相位滞后-超前校正环节143

6.4 控制系统的反馈校正147

6.4.1 位置（比例）反馈148

6.4.2 速度（微分）反馈149

6.5 控制系统的PID校正149

6.5.1 PID控制规律149

6.5.2 PID校正器的形式与作用150

6.6 利用MATLAB设计控制系统的校正153

习题155

参考文献156