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第1章 自动控制系统的基本概念1

1.1开环控制系统与闭环控制系统1

1.2闭环控制系统的组成和基本环节4

1.3自动控制系统的类型6

1.3.1线性系统和非线性系统6

1.3.2连续系统和离散系统8

1.3.3恒值系统、随动系统和程序控制系统9

1.4自动控制系统的性能指标9

1.4.1稳定性9

1.4.2稳态性能指标10

1.4.3暂态性能指标10

小结13

思考题与习题14

第2章 自动控制系统的数学模型17

2.1微分方程式的编写17

2.1.1机械系统18

2.1.2电气系统21

2.1.3液压系统24

2.1.4热工系统29

2.2非线性数学模型的线性化31

2.3传递函数35

2.3.1传递函数的定义35

2.3.2典型环节的传递函数及暂态特性41

2.4系统动态结构图49

2.5系统传递函数和结构图的等效变换52

2.5.1典型连接的等效传递函数53

2.5.2相加点及分支点的变位运算55

2.5.3系统开环传递函数57

2.5.4系统闭环传递函数60

2.5.5系统对给定作用和扰动作用的传递函数61

2.6信号流图62

2.6.1信号流图中的术语63

2.6.2信号流图的绘制64

2.6.3信号流图的基本简化法则65

2.6.4梅逊增益公式66

2.7用MATLAB求解线性微分方程和化简系统方框图71

2.7.1 MATLAB中数学模型的表示71

2.7.2用MATLAB求解线性微分方程73

2.7.3 MATLAB在系统方框图化简中的应用76

小结78

思考题与习题79

第3章 自动控制系统的时域分析85

3.1自动控制系统的时域指标86

3.1.1对控制性能的要求86

3.1.2自动控制系统的典型输入信号87

3.2一阶系统的阶跃响应89

3.2.1一阶系统的数学模型89

3.2.2一阶系统的单位阶跃响应89

3.3二阶系统的阶跃响应91

3.3.1典型二阶系统的动态特性93

3.3.2二阶系统动态性能指标97

3.3.3二阶系统特征参数与动态性能指标之间的关系100

3.3.4二阶工程最佳参数101

3.3.5零点、极点对二阶系统动态性能的影响103

3.4高阶系统的动态响应107

3.5自动控制系统的代数稳定判据109

3.5.1线性系统稳定性的概念和稳定的充分必要条件109

3.5.2劳斯判据110

3.5.3赫尔维茨判据113

3.5.4谢绪恺判据114

3.5.5参数对稳定性的影响115

3.5.6相对稳定性和稳定裕度117

3.6稳态误差118

3.6.1扰动稳态误差118

3.6.2给定稳态误差和误差系数120

3.6.3减小稳态误差的方法126

3.7用MATLAB进行系统时域分析129

3.7.1典型输入信号的MATLAB实现130

3.7.2系统的稳定性分析134

3.7.3 MATLAB在求解系统给定稳态误差中的应用136

小结138

思考题与习题138

第4章 根轨迹法143

4.1根轨迹法的基本概念144

4.2根轨迹的绘制法则146

4.2.1绘制根轨迹的一般法则146

4.2.2自动控制系统的根轨迹155

4.2.3零度根轨迹166

4.2.4参数根轨迹168

4.3用根轨迹法分析系统的动态特性172

4.3.1在根轨迹上确定特征根172

4.3.2用根轨迹法分析系统的动态特性173

4.3.3开环零点对系统根轨迹的影响176

4.3.4开环极点对系统根轨迹的影响178

4.3.5偶极子对系统性能的影响178

4.4用MATLAB绘制根轨迹181

4.4.1根轨迹分析的MATLAB实现的函数指令格式181

4.4.2零度根轨迹的MATLAB绘制187

4.4.3参数根轨迹的MATLAB绘制188

小结191

思考题与习题191

第5章 频率法195

5.1频率特性的基本概念195

5.2非周期函数的频谱分析198

5.2.1周期函数的傅氏级数分解198

5.2.2非周期函数的频谱201

5.3频率特性的表示方法204

5.3.1幅相频率特性204

5.3.2对数频率特性205

5.3.3对数幅相频率特性206

5.4典型环节的频率特性206

5.4.1比例环节206

5.4.2惯性环节207

5.4.3积分环节211

5.4.4微分环节212

5.4.5振荡环节214

5.4.6时滞环节217

5.4.7最小相位环节218

5.5系统开环频率特性的绘制219

5.5.1系统的开环幅相频率特性219

5.5.2系统的开环对数频率特性224

5.6用频率法分析控制系统的稳定性227

5.6.1控制系统的稳定判据227

5.6.2奈氏稳定判据的基本原理230

5.6.3映射定理231

5.6.4奈氏路径及其映射232

5.6.5奈氏稳定判据233

5.6.6开环有串联积分环节的系统234

5.6.7用系统开环对数频率特性判断闭环系统稳定性235

5.6.8应用奈氏稳定判据判断闭环系统稳定性举例236

5.6.9系统的稳定裕度239

5.7系统动态特性和开环频率特性的关系241

5.7.1开环对数频率特性的基本性质241

5.7.2系统动态特性和开环频率特性的关系247

5.8闭环系统频率特性249

5.8.1闭环系统频率特性与开环系统频率特性的关系250

5.8.2闭环系统等M圆、等θ圆及尼氏图251

5.8.3非单位反馈系统的闭环频率特性257

5.9系统动态特性和闭环频率特性的关系257

5.9.1谐振峰值Mp和超调量σ％之间的关系257

5.9.2谐振峰值Mp和调节时间ts的关系258

5.9.3频带宽BW和ξ之间的关系258

5.10用MATLAB绘制系统开环频率特性259

5.10.1用MATLAB绘制系统开环对数频率特性（伯德图）259

5.10.2用MATLAB绘制系统开环幅相频率特性（奈氏曲线）264

5.10.3稳定裕度求解266

小结268

思考题与习题269

第6章 控制系统的校正及综合272

6.1控制系统校正的一般概念272

6.1.1基本校正方法272

6.1.2用频率法校正的特点274

6.2串联校正275

6.2.1串联超前（微分）校正276

6.2.2串联滞后（积分）校正281

6.2.3串联滞后-超前（积分-微分）校正288

6.3反馈校正298

6.3.1反馈校正的功能298

6.3.2反馈校正装置的设计301

6.4复合校正308

6.4.1按扰动补偿的复合控制308

6.4.2按输入补偿的复合控制309

6.5应用MATLAB进行系统校正312

6.5.1串联超前校正设计312

6.5.2串联滞后校正设计315

6.5.3串联滞后-超前校正设计317

小结320

思考题与习题321

第7章 非线性系统分析326

7.1非线性系统动态过程的特点326

7.2非线性特性及其对系统性能的影响329

7.2.1不灵敏区（死区）329

7.2.2饱和331

7.2.3间隙332

7.2.4摩擦333

7.2.5继电器特性335

7.3非线性特性的描述函数336

7.3.1谐波线性化336

7.3.2非线性特性的描述函数338

7.3.3典型非线性特性的描述函数339

7.4非线性系统的描述函数法348

7.4.1非线性系统的典型结构及基本条件348

7.4.2非线性系统的稳定性分析349

7.4.3自振分析351

7.4.4应用描述函数法分析非线性系统352

7.4.5非线性系统结构图的简化358

7.5改善非线性系统性能的措施及非线性特性的利用360

7.5.1改变线性部分的参数或对线性部分进行校正360

7.5.2改变非线性特性361

7.5.3非线性特性的应用363

7.5.4用振荡线性化改善系统性能366

7.6相平面法367

7.6.1相轨迹的特征367

7.6.2相轨迹的绘制方法373

7.6.3用相平面法分析非线性系统374

小结378

思考题与习题378

第8章 线性离散系统的理论基础383

8.1线性离散系统的基本概念383

8.2离散时间函数的数学表达式及采样定理384

8.2.1离散时间函数的数学表达式385

8.2.2采样函数f（t）的频谱分析385

8.2.3采样定理387

8.2.4信号的复现387

8.3 z变换389

8.3.1 z变换的定义389

8.3.2 z变换的方法390

8.3.3 z变换的性质392

8.3.4 z反变换395

8.4线性常系数差分方程396

8.4.1差分方程的定义397

8.4.2差分方程的解法398

8.5脉冲传递函数399

8.5.1脉冲传递函数的定义399

8.5.2脉冲传递函数的推导399

8.5.3开环系统脉冲传递函数401

8.5.4闭环系统脉冲传递函数402

8.6采样控制系统的时域分析405

8.6.1用z变换法求系统的单位阶跃响应405

8.6.2采样系统的稳定性分析406

8.6.3采样控制系统的稳态误差410

8.7采样控制系统的频域分析411

8.7.1双线性变换412

8.7.2伯德图413

8.8线性离散系统的数字校正415

8.8.1用根轨迹法综合数字校正装置415

8.8.2数字校正装置的实现416

8.9最少拍离散控制系统的分析与设计418

8.9.1最少拍系统的闭环脉冲传递函数418

8.9.2最少拍系统的设计419

8.10用MATLAB进行采样系统分析424

8.10.1 z变换和z反变换424

8.10.2连续系统的离散化425

8.10.3采样控制系统的时域分析426

8.10.4采样控制系统的频域分析430

小结433

思考题与习题434

名词术语索引439

附录本书使用的部分MATLAB指令444

参考文献448