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第1章 绪论1

1.1 引言1

1.1.1 控制理论的发展2

1.1.2 MATLAB工程软件3

1.2 自动控制系统的基本概念3

1.2.1 自动控制系统的工作原理3

1.2.2 自动控制系统的基本控制方式5

1.2.3 自动控制系统的基本组成7

1.3 自动控制系统的分类8

1.4 对控制系统的基本要求9

1.5 本课程的学习方法10

本章小结10

思考题与习题10

第2章 控制系统的数学模型12

2.1 拉普拉斯变换的数学方法13

2.1.1 复数与复变函数13

2.1.2 拉普拉斯变换15

2.1.3 拉普拉斯变换定理17

2.1.4 拉普拉斯逆变换21

2.1.5 用拉普拉斯变换解微分方程25

2.2 控制系统的微分方程26

2.2.1 线性系统微分方程的建立26

2.2.2 非线性系统微分方程的线性化29

2.3 传递函数30

2.3.1 传递函数概述31

2.3.2 典型环节的传递函数32

2.3.3 传递函数的标准形式34

2.4 控制系统的结构图及其等效变换36

2.4.1 结构图概述36

2.4.2 结构图等效变换39

2.5 控制系统的传递函数43

2.5.1 系统开环传递函数43

2.5.2 系统闭环传递函数43

2.6 信号流图与Mason公式46

2.6.1 信号流图46

2.6.2 Mason公式49

2.7 控制系统数学模型的MATLAB实现52

2.7.1 拉普拉斯变换与逆变换53

2.7.2 传递函数的MATLAB描述53

2.7.3 数学模型的转换56

2.7.4 系统结构图的简化56

本章小结59

思考题与习题59

第3章 控制系统的时域分析63

3.1 时间响应与典型输入信号64

3.1.1 时间响应的概念64

3.1.2 典型输入信号64

3.2 一阶系统的时间响应66

3.2.1 一阶系统的数学模型66

3.2.2 一阶系统的单位脉冲响应66

3.2.3 一阶系统的单位阶跃响应67

3.2.4 一阶系统的单位速度响应68

3.3 二阶系统的时间响应69

3.3.1 二阶系统的数学模型69

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应70

3.4 瞬态响应的性能指标73

3.5 稳态误差分析与计算78

3.5.1 稳态误差的概念78

3.5.2 稳态误差的计算80

3.5.3 稳态误差系数81

3.5.4 干扰作用下的稳态误差83

3.6 控制系统的稳定性分析85

3.6.1 系统稳定性的基本概念85

3.6.2 Routh-Hurwitz稳定判据85

3.7 MATLAB环境下时域响应分析90

本章小结94

思考题与习题94

第4章 控制系统的频域分析96

4.1 频率特性的基本概念97

4.1.1 频率特性概述97

4.1.2 频率特性的求取方法99

4.1.3 频率特性的表示法101

4.2 典型环节的频率特性104

4.2.1 比例环节105

4.2.2 积分环节106

4.2.3 惯性环节108

4.2.4 振荡环节110

4.2.5 微分环节112

4.2.6 延时环节116

4.2.7 最小相位系统与非最小相位系统117

4.3 控制系统的开环频率特性118

4.3.1 系统开环幅相频率特性118

4.3.2 系统开环对数频率特性123

4.4 控制系统的频域稳定性分析127

4.4.1 系统开环频率特性与闭环特征式的关系128

4.4.2 幅角变化与系统稳定性的关系129

4.4.3 Nyquist稳定判据129

4.4.4 应用Bode图判断闭环系统的稳定性133

4.5 开环频率特性分析134

4.5.1 开环频域性能指标135

4.5.2 开环频率特性与时域指标的关系138

4.5.3 开环频域指标与中频段特性142

4.6 闭环频率特性分析143

4.6.1 闭环频率特性144

4.6.2 闭环频域指标144

4.6.3 闭环频域指标与时域指标145

4.7 MATLAB在系统频域分析中的应用146

本章小结149

思考题与习题150

第5章 控制系统的根轨迹153

5.1 根轨迹与控制系统特性153

5.1.1 根轨迹基本概念153

5.1.2 相角条件和幅值条件155

5.2 绘制根轨迹的基本法则156

5.2.1 常规根轨迹156

5.2.2 参数根轨迹164

5.3 用根轨迹分析控制系统性能166

5.4 利用MATLAB绘制系统根轨迹168

本章小结170

思考题与习题170

第6章 控制系统的综合与校正173

6.1 控制系统校正的基本概念173

6.1.1 控制系统校正与校正装置173

6.1.2 控制系统的性能指标174

6.1.3 校正方式175

6.2 常用校正装置及其特性176

6.2.1 超前校正装置176

6.2.2 滞后校正装置179

6.2.3 滞后—超前校正装置181

6.3 串联校正184

6.3.1 相位超前校正185

6.3.2 相位滞后校正187

6.3.3 串联滞后—超前校正190

6.4 并联校正192

6.4.1 反馈校正192

6.4.2 前馈校正195

6.5 MATLAB在系统校正中的应用196

本章小结201

思考题与习题201

第7章 控制工程典型案例203

7.1 海底隧道钻机控制系统203

7.2 哈勃太空望远镜指向控制系统205

7.3 火星漫游车转向控制系统208

7.4 遥控侦察车速度控制系统211

7.5 雕刻机控制系统212

7.6 转子绕线机控制系统215

7.7 六足机器人单足控制系统218

7.8 打印机皮带驱动系统221

附录A常用函数的拉普拉斯变换表226

附录B常用控制工程术语汉英对照表228

思考题与习题参考答案231

参考文献238