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第1章 引论1

1.1 自动控制系统概述1

1.1.1 自动控制系统的一般概念1

1.1.2 开环控制2

1.1.3 闭环控制3

1.1.4 闭环控制系统的基本组成5

1.1.5 自动控制理论的发展5

1.2 自动控制系统的类型6

1.2.1 按信号流向划分6

1.2.2 按输入信号变化规律划分6

1.2.3 线性系统和非线性系统6

1.2.4 定常系统和时变系统7

1.2.5 连续系统和离散系统7

1.2.6 单输入单输出系统与多输入多输出系统8

1.3 控制系统性能的基本要求和本课程的主要任务8

1.3.1 控制系统性能的基本要求8

1.3.2 本课程的主要任务9

1.4 自动控制系统实例10

1.4.1 磁盘驱动读取系统10

1.4.2 烘烤炉温度控制系统10

1.4.3 传动控制系统11

本章小结12

思考题12

习题12

第2章 控制系统的数学模型14

2.1 线性系统的时间域数学模型——微分方程14

2.1.1 列写系统微分方程的一般方法14

2.1.2 线性系统的特点16

2.1.3 线性定常系统微分方程的求解16

2.1.4 运动的模态17

2.2 非线性数学模型的线性化18

2.3 线性系统的复数域数学模型——传递函数19

2.3.1 传递函数的定义19

2.3.2 传递函数的基本性质20

2.3.3 传递函数的常用表达形式20

2.3.4 典型环节的传递函数21

2.4 控制系统的结构图22

2.4.1 结构图的组成和绘制23

2.4.2 结构图的等效变换和简化25

2.5 信号流图和梅森增益公式31

2.5.1 信号流图的组成及性质31

2.5.2 根据微分方程绘制信号流图32

2.5.3 根据系统结构图绘制信号流图33

2.5.4 梅森增益公式33

2.6 MATLAB中数学模型的表示35

2.6.1 传递函数35

2.6.2 控制系统的结构图模型35

2.6.3 控制系统的零极点模型36

本章小结36

思考题36

习题36

MATLAB实践与拓展题39

第3章 控制系统的时域分析法40

3.1 系统的时域响应及其性能指标40

3.1.1 典型输入信号40

3.1.2 时域响应过程43

3.1.3 性能指标43

3.2 一阶系统的时域响应44

3.2.1 一阶系统的数学模型和结构图44

3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应45

3.2.3 一阶系统的单位脉冲响应46

3.2.4 一阶系统的单位斜坡响应46

3.3 二阶系统的时域响应47

3.3.1 二阶系统的数学模型和结构图47

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应48

3.3.3 二阶系统阶跃响应的性能指标52

3.4 高阶系统的时域响应54

3.4.1 高阶系统的时域响应分析54

3.4.2 闭环主导极点55

3.5 线性系统的稳定性分析56

3.5.1 稳定性的概念及定义56

3.5.2 线性定常系统稳定的充分必要条件57

3.5.3 线性系统的代数判据——劳斯稳定判据58

3.5.4 控制系统的相对稳定性62

3.6 控制系统的稳态误差63

3.6.1 关于稳态误差的基本概念63

3.6.2 给定信号作用下的稳态误差（静态误差系数法）64

3.6.3 扰动信号作用下的稳态误差68

3.6.4 提高系统控制精度的措施71

3.7 MATLAB在时域分析中的应用71

3.7.1 用MATLAB求系统的时域响应71

3.7.2 任意函数作用下系统的响应73

3.7.3 LTI观测器74

3.7.4 Simulink中的时域响应分析举例76

本章小结79

思考题79

习题79

MATLAB实践与拓展题82

第4章 控制系统的根轨迹分析法83

4.1 根轨迹的基本概念83

4.1.1 根轨迹的定义83

4.1.2 根轨迹方程及其幅值和相角条件84

4.2 根轨迹绘制的基本规则85

4.2.1 绘制根轨迹的基本规则86

4.2.2 根轨迹绘制例题97

4.3 广义根轨迹100

4.3.1 参量根轨迹101

4.3.2 零度根轨迹103

4.4 控制系统的根轨迹分析法106

4.4.1 根轨迹与稳定性分析106

4.4.2 根轨迹与动态性能分析107

4.4.3 增加开环零、极点对控制系统性能的影响108

4.4.4 设计示例：磁盘驱动读取系统111

4.5 MATLAB在根轨迹绘制中的应用112

本章小结114

思考题114

习题114

MATLAB实践与拓展题116

第5章 控制系统的频域分析118

5.1 频率特性118

5.1.1 频率特性的基本概念118

5.1.2 频率特性的求取122

5.1.3 频率特性的图示法123

5.2 典型环节的频率特性124

5.2.1 比例环节124

5.2.2 积分环节125

5.2.3 纯微分环节125

5.2.4 惯性环节126

5.2.5 一阶微分环节128

5.2.6 振荡环节128

5.2.7 二阶微分环节131

5.2.8 延迟环节131

5.3 控制系统的开环频率特性132

5.3.1 开环奈氏图132

5.3.2 开环Bode图135

5.3.3 最小相位系统和非最小相位系统137

5.3.4 延迟系统138

5.3.5 传递函数的实验法确定138

5.4 奈奎斯特稳定判据141

5.4.1 引言141

5.4.2 幅角原理142

5.4.3 奈氏判据144

5.4.4 奈氏判据中N的简易判断方法146

5.5 稳定裕量147

5.5.1 相对稳定性147

5.5.2 两个重要频率148

5.5.3 两个稳定裕量指标149

5.5.4 稳定裕量在Bode图中的表示151

5.5.5 相对稳定性与对数幅频特性曲线中频段的关系151

5.5.6 稳定裕量指标的求解152

5.6 频率特性与系统性能的关系154

5.6.1 开环对数频率特性曲线与系统性能的关系154

5.6.2 开环频域指标与闭环时域指标的关系156

5.6.3 开环频域指标与闭环频域指标的关系157

5.7 例题精解159

5.8 MATLAB频域特性分析163

5.8.1 用MATLAB绘制奈氏图163

5.8.2 用MATLAB绘制Bode图164

本章小结166

思考题166

习题167

MATLAB实践与拓展题171

第6章 控制系统的校正173

6.1 校正的基本概念和方法173

6.1.1 校正的基本概念173

6.1.2 常用的校正方法174

6.1.3 校正的性能指标175

6.1.4 校正装置及校正目标176

6.2 串联超前校正177

6.2.1 超前校正装置及特点177

6.2.2 超前校正装置的设计179

6.3 串联滞后校正182

6.3.1 滞后校正装置及特点182

6.3.2 滞后校正装置的设计183

6.4 串联滞后-超前校正187

6.4.1 滞后-超前校正装置及特点187

6.4.2 滞后-超前校正装置的设计188

6.5 PID控制器190

6.5.1 比例-积分（PI）控制器191

6.5.2 比例-微分（PD）控制器191

6.5.3 比例-积分-微分（PID）控制器192

6.5.4 PID控制器的实现194

6.6 期望频率特性法校正194

6.6.1 期望开环对数幅频特性曲线的绘制195

6.6.2 期望特性法串联校正196

6.7 反馈校正198

6.7.1 反馈校正的原理198

6.7.2 反馈校正的设计199

6.7.3 反馈校正的其他应用201

6.8 复合校正202

6.8.1 复合校正的基本概念202

6.8.2 按扰动补偿的复合校正203

6.8.3 按输入补偿的复合校正204

6.9 例题精解205

6.10 基于MATLAB和Simulink的系统校正208

6.10.1 相位超前校正209

6.10.2 相位滞后校正211

6.10.3 利用Simulink工具箱实现系统校正213

本章小结216

思考题217

习题219

MATLAB实践与拓展题222

第7章 非线性系统分析224

7.1 引言224

7.2 典型非线性特性225

7.2.1 常见的几种典型非线性特性225

7.2.2 非线性系统的特征228

7.2.3 非线性特性的应用230

7.2.4 非线性系统的分析方法231

7.3 描述函数法232

7.3.1 描述函数的定义及求法232

7.3.2 典型非线性特性的描述函数234

7.3.3 非线性系统的稳定性分析240

7.3.4 自激振荡的分析与计算241

7.4 相平面法244

7.4.1 相平面法的基本概念244

7.4.2 相轨迹图的绘制245

7.4.3 奇点和奇线249

7.4.4 用相平面法分析非线性系统253

7.5 MATLAB在非线性系统分析中的应用257

本章小结263

思考题263

习题264

MATLAB实践与拓展题267

第8章 离散控制系统268

8.1 引言268

8.1.1 离散系统的基本概念268

8.1.2 离散系统的特点269

8.2 信号的采样与复现269

8.2.1 采样过程269

8.2.2 采样定理270

8.2.3 零阶保持器272

8.3 z变换274

8.3.1 z变换的定义274

8.3.2 z变换的性质277

8.3.3 z反变换280

8.4 离散系统的数学模型282

8.4.1 离散系统的数学定义282

8.4.2 脉冲传递函数284

8.4.3 开环系统脉冲传递函数286

8.4.4 闭环系统脉冲传递函数287

8.5 离散系统的性能分析291

8.5.1 稳定性分析与判断291

8.5.2 稳态误差及其计算293

8.5.3 闭环极点与瞬态响应的关系295

8.5.4 动态性能分析297

8.6 MATLAB在离散系统分析中的应用301

本章小结303

思考题303

习题303

MATLAB实践与拓展题306

附录A 常用函数的拉氏变换表和z变换表307

附录B MATLAB和Simulink简介308

附录C 控制理论中常用术语的中英文对照表311

参考文献322