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第1章 绪论1

1.1 开环控制系统和闭环控制系统1

1.1.1 开环控制系统1

1.1.2 闭环控制系统2

1.1.3 闭环控制系统示例4

1.2 闭环控制系统的基本组成7

1.3 自动控制系统的分类8

1.3.1 恒值控制系统、随动系统和程序控制系统8

1.3.2 线性控制系统和非线性控制系统10

1.3.3 连续控制系统和离散控制系统10

1.3.4 确定性系统和不确定性系统11

1.3.5 单输入单输出系统与多输入多输出系统11

1.3.6 集中参数系统和分布参数系统12

1.4 自动控制系统的分析和设计12

1.4.1 控制系统分析12

1.4.2 控制系统设计13

1.5 自动控制理论的发展简史13

1.5.1 经典控制理论阶段13

1.5.2 现代控制理论阶段15

小结16

习题16

第2章 控制系统的数学模型19

2.1 控制系统的时域数学模型19

2.1.1 线性系统微分方程的建立19

2.1.2 微分方程建立举例20

2.1.3 线性常系数微分方程的求解24

2.2 控制系统的复域数学模型25

2.2.1 传递函数的定义26

2.2.2 传递函数的一般表达式26

2.2.3 传递函数的性质27

2.3 典型环节的传递函数27

2.3.1 比例环节（Proportional Element）28

2.3.2 积分环节（Integrating Element）28

2.3.3 理想微分环节（Ideal Derivative Element）31

2.3.4 惯性环节（Inertial Element）31

2.3.5 比例微分环节（Proportional-Derivative Element）33

2.3.6 振荡环节（Oscillating Element）34

2.3.7 延迟环节（Delay Element）37

2.4 控制系统的结构图38

2.4.1 功能框图（Block Diagram）39

2.4.2 系统框图的画法39

2.4.3 典型自动控制系统的框图41

2.4.4 框图的等效变换42

2.5 信号流图49

2.5.1 信号流图的基本概念49

2.5.2 信号流图的绘制51

2.5.3 信号流图的简化52

2.5.4 梅逊（Mason）公式及应用54

小结55

习题56

第3章 控制系统的时域分析60

3.1 典型输入信号60

3.1.1 阶跃信号60

3.1.2 斜坡信号60

3.1.3 等加速度信号61

3.1.4 脉冲信号61

3.1.5 正弦信号62

3.2 线性系统的时域性能指标62

3.3 一阶系统的时域分析63

3.3.1 单位阶跃响应64

3.3.2 单位速度响应65

3.3.3 单位加速度响应65

3.3.4 单位脉冲响应65

3.4 二阶系统的时域分析66

3.4.1 传递函数的推导66

3.4.2 二阶系统的单位阶跃响应68

3.4.3 二阶系统阶跃响应的动态性能指标71

3.4.4 具有零点的二阶系统分析76

3.4.5 二阶系统的性能改善78

3.5 高阶系统的时域响应80

3.5.1 高阶系统的单位阶跃响应81

3.5.2 闭环零、极点对系统性能的影响82

3.5.3 利用主导极点估算系统的动态性能指标82

3.6 控制系统的稳定性83

3.6.1 稳定性概念83

3.6.2 线性系统稳定的充要条件84

3.6.3 线性系统稳定的必要条件85

3.6.4 代数稳定性判据85

3.6.5 劳斯稳定判据的应用90

3.7 控制系统的稳态误差91

3.7.1 误差和稳态误差92

3.7.2 给定作用下的稳态误差94

3.7.3 给定作用下动态误差系数97

3.7.4 扰动作用下的稳态误差99

3.7.5 扰动作用下动态误差系数102

3.8 用MATLAB对线性系统进行时域响应分析103

小结109

习题110

第4章 线性系统的根轨迹分析114

4.1 根轨迹概述114

4.1.1 根轨迹的概念114

4.1.2 绘制根轨迹的基本条件116

4.2 常规根轨迹的绘制117

4.3 广义根轨迹131

4.3.1 参数根轨迹131

4.3.2 多回路系统的根轨迹134

4.3.3 正反馈系统的根轨迹136

4.4 系统性能的根轨迹分析139

4.4.1 稳定性分析139

4.4.2 暂态性能分析143

4.4.3 稳态性能分析145

4.5 用MATLAB绘制系统的根轨迹145

小结147

习题148

第5章 控制系统的频域分析151

5.1 频域特性151

5.1.1 频域特性的基本概念151

5.1.2 频域特性与传递函数的关系152

5.1.3 频域特性的数学表示方式154

5.1.4 频域特性的图形表示方式155

5.2 典型环节的对数频域特性157

5.2.1 比例环节157

5.2.2 积分环节158

5.2.3 微分环节159

5.2.4 惯性环节161

5.2.5 二阶振荡环节163

5.2.6 延迟环节165

5.3 系统开环频域特性的绘制166

5.3.1 采用叠加方法求串联环节的伯德图166

5.3.2 系统开环对数幅频特性的简便画法167

5.3.3 最小相位系统与非最小相位系统170

5.3.4 由系统（或部件）的对数频域特性求相应的传递函数171

5.4 奈奎斯特稳定判据和系统的相对稳定性172

5.4.1 系统开环频域特性与闭环特征式的关系172

5.4.2 幅角原理173

5.4.3 奈奎斯特稳定判据174

5.4.4 虚轴上有开环极点时的奈奎斯特判据176

5.4.5 基于伯德图的奈奎斯特判据176

5.4.6 系统的相对稳定性和稳定裕度177

5.5 用频域法分析系统的稳态性能179

5.5.1 0型系统180

5.5.2 Ⅰ型系统180

5.5.3 Ⅱ型曲线180

5.6 系统的频域特性及频域性能指标181

5.6.1 闭环系统的频域特性181

5.6.2 开环频域特性与闭环系统动态性能之间的关系183

5.6.3 系统的频域性能指标185

5.6.4 二阶系统的频域性能指标185

5.6.5 高阶系统186

5.7 用MATLAB进行系统的频域分析186

5.7.1 伯德图绘制186

5.7.2 奈奎斯特图绘制192

小结193

习题193

第6章 控制系统的校正197

6.1 控制系统校正的概念197

6.1.1 校正的概念197

6.1.2 校正的方式197

6.1.3 性能指标198

6.2 串联超前校正200

6.2.1 超前校正网络200

6.2.2 基于根轨迹法的超前校正202

6.2.3 基于频率响应法的超前校正206

6.3 串联迟后校正209

6.3.1 迟后校正网络209

6.3.2 基于根轨迹法的迟后校正210

6.3.3 基于频率响应法的迟后校正213

6.4 串联迟后—超前补偿215

6.4.1 迟后—超前校正网络215

6.4.2 基于根轨迹法的迟后—超前校正216

6.4.3 基于频率响应法的迟后—超前校正218

6.5 反馈校正222

6.5.1 使结构不稳定系统改造为稳定系统223

6.5.2 利用反馈补偿改变系统参数224

6.5.3 利用反馈补偿取代局部结构226

6.5.4 降低对参数变化的敏感度226

6.6 PID控制器及其参数整定229

6.6.1 比例（P）控制规律230

6.6.2 比例—微分（PD）控制规律230

6.6.3 积分（I）控制规律231

6.6.4 比例—积分（PI）控制规律232

6.6.5 比例—积分—微分（PID）控制规律234

6.7 复合校正238

6.7.1 复合校正的概念238

6.7.2 按输入补偿的复合校正239

6.7.3 按扰动补偿的复合校正240

6.8 MATLAB在线性系统校正中的应用243

小结245

习题246

第7章 非线性系统的分析249

7.1 非线性系统概述249

7.1.1 非线性系统的数学描述249

7.1.2 典型的非线性特性250

7.1.3 非线性系统的特点与分析方法252

7.2 相平面法254

7.2.1 相平面的基本概念255

7.2.2 相轨迹的几个重要性质256

7.2.3 相轨迹的绘制257

7.2.4 由相平面图求时间解262

7.3 相平面图的分析263

7.3.1 二阶线性系统的相平面分析263

7.3.2 非线性控制系统的相平面分析268

7.4 描述函数法278

7.4.1 描述函数的基本概念279

7.4.2 典型非线性特性的描述函数280

7.5 非线性系统的描述函数分析287

7.5.1 非线性系统的稳定性分析287

7.5.2 周期运动的稳定性分析288

7.6 基于Simulink环境的非线性系统仿真分析291

小结293

习题293

第8章 采样控制系统298

8.1 采样定理299

8.1.1 采样过程299

8.1.2 采样过程的频谱分析300

8.1.3 采样定理的提出301

8.1.4 采样周期的选取302

8.2 信号的再现和零阶保持器302

8.2.1 信号再现302

8.2.2 零阶保持器302

8.3 z变换和z反变换304

8.3.1 序列与差分方程304

8.3.2 z变换305

8.3.3 典型信号的z变换306

8.3.4 z变换的性质307

8.3.5 z反变换312

8.3.6 用z变换解差分方程314

8.4 脉冲传递函数316

8.4.1 脉冲传递函数的定义316

8.4.2 串联环节的脉冲传递函数317

8.4.3 闭环系统的脉冲传递函数319

8.5 采样系统的稳定性322

8.5.1 s平面和z平面的映射关系323

8.5.2 w平面的劳斯判据324

8.6 采样控制系统的性能分析326

8.6.1 瞬态响应326

8.6.2 稳态误差327

8.7 采样控制系统校正与设计329

8.7.1 典型信号输入作用下的最小拍系统331

8.7.2 典型信号输入作用下的脉冲传递函数332

8.7.3 最小拍控制系统的设计333

8.8 MATLAB在离散系统中的应用334

小结335

习题336

附录 “自动控制原理”课程中常用专业术语的中英文对照339

参考文献354