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第1章 绪论1

1．1 引言1

1．2 自动控制系统实例1

1．2．1 液面高度控制系统1

1．2．2 位置随动控制系统3

1．3 自动控制系统的结构及工作原理3

1．4 自动控制系统的类别5

1．4．1 开环与闭环控制系统5

1．4．2 线性与非线性控制系统7

1．4．3 连续与离散控制系统7

1．4．4 恒值与随动控制系统8

1．5 自动控制系统设计的性能要求及任务8

1．6 自动控制系统理论的发展简史9

1．7 结语11

1．8 习题12

第2章 自动控制系统的数学模型15

2．1 引言15

2．2 控制系统的微分方程模型16

2．2．1 微分方程模型建模方法及举例16

2．2．2 非线性微分方程模型的线性化17

2．2．3 拉普拉斯变换及线性微分方程模型的解18

2．3 控制系统的传递函数模型20

2．3．1 传递函数的概念21

2．3．2 传递函数的基本性质22

2．3．3 传递函数的表示方法22

2．3．4 典型环节的传递函数24

2．3．5 用拉普拉斯变换求解线性系统的输出28

2．4 控制系统的频域模型28

2．5 控制系统的框图与传递函数29

2．5．1 框图的绘制方法29

2．5．2 框图的等效简化30

2．5．3 框图与传递函数33

2．6 控制系统的信号流图与传递函数35

2．6．1 信号流图的概念35

2．6．2 信号流图的性质36

2．6．3 信号流图与框图的等效36

2．6．4 梅逊公式及传递函数36

2．7 控制系统数学模型的Matlab方法38

2．7．1 系统微分方程模型的解曲线38

2．7．2 多项式的表示及运算39

2．7．3 系统传递函数的表示及运算40

2．8 结语44

2．9 习题44

第3章 自动控制系统的时域分析50

3．1 引言50

3．2 典型测试信号50

3．3 控制系统的稳定性52

3．3．1 稳定性的概念52

3．3．2 劳斯稳定性判据55

3．3．3 相对稳定性和稳定裕量58

3．4 控制系统的稳态误差59

3．4．1 给定稳态误差59

3．4．2 扰动稳态误差64

3．5 控制系统的瞬态响应分析65

3．5．1 瞬态响应指标65

3．5．2 一阶系统的瞬态响应66

3．5．3 二阶系统的瞬态响应68

3．5．4 零、极点对二阶系统瞬态响应的影响77

3．5．5 高阶系统的瞬态响应79

3．6 时域分析的Matlab方法83

3．6．1 单位阶跃响应83

3．6．2 单位脉冲响应85

3．6．3 一般输入信号下的响应86

3．7 结语87

3．8 习题88

第4章 自动控制系统的根轨迹法92

4．1 引言92

4．2 根轨迹的基本概念92

4．2．1 根轨迹92

4．2．2 根轨迹与系统性能的关系93

4．2．3 闭环零、极点与开环零、极点的关系94

4．3 根轨迹的幅值条件及相角条件95

4．4 根轨迹的绘制步骤96

4．5 控制系统的根轨迹分析107

4．5．1 利用根轨迹确定系统的有关参数107

4．5．2 开环零、极点对根轨迹的影响108

4．5．3 参数变化对闭环极点的影响109

4．6 根轨迹的Matlab方法115

4．6．1 绘制系统的零、极点分布图115

4．6．2 绘制系统的根轨迹116

4．6．3 根轨迹与系统性能120

4．7 结语125

4．8 习题125

第5章 自动控制系统的频率响应法133

5．1 引言133

5．2 频率特性133

5．2．1 频率特性的基本概念133

5．2．2 频率特性的求取136

5．3 频率特性的几何表示方法138

5．3．1 极坐标图（奈奎斯特图）138

5．3．2 典型环节的极坐标图139

5．3．3 对数坐标图（伯德图）142

5．3．4 基本因子的对数坐标图142

5．4 控制系统开环频率特性的绘制151

5．4．1 开环极坐标图的绘制151

5．4．2 开环对数坐标图的绘制153

5．4．3 最小相位系统和非最小相位系统157

5．4．4 频率特性函数的几项重要性质158

5．5 控制系统稳定性的奈奎斯特判据161

5．5．1 围线映射及辐角原理162

5．5．2 奈奎斯特稳定性判据163

5．5．3 奈奎斯特稳定性判据的应用举例165

5．5．4 对数坐标图的奈奎斯特稳定性判据172

5．6 控制系统瞬态性能的频率特性指标175

5．6．1 稳定裕度175

5．6．2 相位裕量176

5．6．3 增益裕量177

5．6．4 开环频率特性与时域响应的关系179

5．6．5 闭环频率特性指标184

5．7 频率响应的Matlab方法188

5．7．1 用nyquist（sys）绘制极坐标图（奈奎斯特图）188

5．7．2 用bode（sys）绘制对数坐标图（伯德图）191

5．7．3 用margin（sys）计算增益裕量和相位裕量192

5．8 结语193

5．9 习题195

第6章 自动控制系统的校正201

6．1 引言201

6．2 串联超前校正202

6．2．1 超前校正网络202

6．2．2 基于根轨迹的超前校正204

6．2．3 基于对数坐标图的超前校正206

6．3 串联滞后校正208

6．3．1 滞后校正网络208

6．3．2 基于根轨迹的滞后校正210

6．3．3 基于对数坐标图的滞后校正212

6．4 串联超前-滞后校正214

6．4．1 超前-滞后校正网络214

6．4．2 基于根轨迹的超前-滞后校正215

6．4．3 基于对数坐标图的超前-滞后校正217

6．5 比例-积分-微分（PID）控制219

6．5．1 比例（P）控制219

6．5．2 比例-积分（PI）控制220

6．5．3 比例-微分（PD）控制222

6．5．4 比例-积分-微分（PID）控制223

6．6 利用Matlab进行系统设计224

6．7 结语231

6．8 习题231

第7章 非线性控制系统分析234

7．1 引言234

7．2 控制系统中常见的非线性因素与性态236

7．2．1 常见的非线性因素及等效增益236

7．2．2 非线性系统的性态238

7．3 相平面分析240

7．3．1 相平面分析的基本概念241

7．3．2 绘制相轨迹244

7．3．3 线性系统的相平面分析245

7．3．4 非线性系统的相平面分析249

7．4 李雅普诺夫理论251

7．4．1 非线性系统与平衡点251

7．4．2 稳定的概念254

7．4．3 线性化与局部稳定性255

7．4．4 李雅普诺夫直接法256

7．5 描述函数法259

7．5．1 描述函数的基本概念260

7．5．2 典型非线性特性的描述函数262

7．6 结语266

7．7 习题266

参考文献269