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第1章 绪论 1

1.1 自动控制技术及其应用 2

1.2 自动控制系统的一般概念 4

1.2.1 自动控制的基本原理 4

1.2.2 自动控制系统的组成 5

1.3 自动控制系统的基本控制方式 7

1.3.1 开环控制系统 7

1.3.2 闭环控制系统 7

1.3.3 复合控制系统 8

1.4 自动控制系统的分类 8

1.4.1 按系统输入信号形式划分 8

1.4.2 按系统微分方程形式划分 9

1.4.3 按系统参数与时间的关系划分 9

1.4.4 按系统信号形式划分 9

1.4.5 按系统控制作用点个数划分 9

1.5 自动控制理论发展简史 10

1.6 自动控制系统的基本要求 11

1.6.1 稳定性 12

1.6.2 暂态性能 12

1.6.3 稳态性能 12

1.7 自动控制系统分析与设计工具 13

1.8 全书章节结构 13

习题 14

第2章 系统的数学模型 17

2.1 系统的微分方程 17

2.1.1 电路系统 17

2.1.2 机电系统 18

2.1.3 机械系统 19

2.1.4 非线性方程的线性化 19

2.2 传递函数 20

2.2.1 拉普拉斯变换 20

2.2.2 传递函数的定义 21

2.3 框图模型 25

2.3.1 框图的构成及绘制 25

2.3.2 框图的变换规则 26

2.4 信号流图模型 32

2.4.1 信号流图的绘制 33

2.4.2 梅森增益公式 34

2.4.3 闭环系统的传递函数 37

2.5 控制系统建模的MATLAB方法 39

习题 42

第3章 线性系统的时域分析法 48

3.1 时域分析的基础 48

3.1.1 典型输入信号 48

3.1.2 系统的动态性能指标 49

3.2 一阶系统的时域分析 51

3.2.1 一阶系统的数学模型 51

3.2.2 单位阶跃响应 52

3.2.3 单位脉冲响应 52

3.2.4 单位斜坡响应 53

3.3 二阶系统的时域分析 54

3.3.1 二阶系统的数学模型 54

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应 54

3.3.3 欠阻尼二阶系统的动态过程分析 56

3.4 高阶系统的时域响应 59

3.4.1 高阶系统的单位阶跃响应 59

3.4.2 高阶系统的二阶近似 61

3.5 线性系统的稳定性分析 61

3.5.1 稳定的概念 61

3.5.2 系统的稳定性判据 62

3.6 线性系统的稳态误差计算 66

3.6.1 计算稳态误差的一般方法 67

3.6.2 系统类型及静态误差系数法 68

3.6.3 动态误差系数法 72

3.6.4 扰动作用下的稳态误差 72

3.6.5 减小和消除稳态误差的措施 74

3.7 基于MATLAB的时域分析 75

习题 79

第4章 线性系统的根轨迹法 82

4.1 根轨迹的基本概念 82

4.2 根轨迹方程 83

4.3 根轨迹的绘制与动态特性 85

4.3.1 绘制根轨迹的基本法则 85

4.3.2 根轨迹与系统的动态特性 95

4.4 广义根轨迹法 97

4.4.1 参数根轨迹 97

4.4.2 零度根轨迹 99

4.5 基于MATLAB的根轨迹分析 101

习题 103

第5章 频域分析法 106

5.1 频率特性概述 106

5.1.1 线性系统在正弦信号作用下的稳态输出 106

5.1.2 线性系统的频率特性 107

5.1.3 频率特性的几何表示方法 107

5.1.4 系统频率特性与典型环节频率特性的关系 108

5.2 Nyquist图的绘制 109

5.2.1 比例环节 109

5.2.2 积分环节 110

5.2.3 惯性环节 110

5.2.4 振荡环节 112

5.2.5 微分环节 113

5.2.6 一阶微分环节 114

5.2.7 二阶微分环节 115

5.2.8 延迟环节 115

5.2.9 系统Nyquist图绘制举例 116

5.3 Bode图的绘制 118

5.3.1 比例环节 118

5.3.2 积分环节 118

5.3.3 微分环节 119

5.3.4 惯性环节 119

5.3.5 一阶微分环节 120

5.3.6 振荡环节 122

5.3.7 二阶微分环节 123

5.3.8 延时环节 124

5.3.9 系统Bode图的绘制方法 125

5.3.10 最小相位系统的Bode图 129

5.4 Nyquist稳定判据及其扩展 131

5.4.1 稳定判据分析对象函数 131

5.4.2 辐角定理 131

5.4.3 Nyquist稳定判据 132

5.4.4 Nyquist稳定判据扩展 135

5.5 系统的相对稳定性和稳定裕度 139

5.5.1 相位裕度 139

5.5.2 幅值裕度 140

5.6 频域指标与系统性能的关系 142

5.6.1 闭环频率特性 142

5.6.2 频域指标与系统性能的关系 142

5.7 MATLAB的频域分析应用 145

习题 147

第6章 控制系统的校正 150

6.1 校正问题的提出和一般方法 150

6.1.1 校正问题的提出 150

6.1.2 校正的一般方法 151

6.1.3 基于频域分析法的校正思想 152

6.2 PID控制器简述 153

6.2.1 比例控制器 153

6.2.2 比例微分控制器 155

6.2.3 积分控制器 156

6.2.4 比例积分控制器 156

6.2.5 比例积分微分控制器 157

6.3 串联超前校正 157

6.3.1 超前校正元件特性 157

6.3.2 超前校正元件设计 158

6.3.3 串联超前校正对系统的影响 161

6.4 串联滞后校正 162

6.4.1 滞后校正元件特性 162

6.4.2 滞后校正元件设计 163

6.4.3 串联滞后校正对系统的影响 164

6.5 串联滞后－超前校正 164

6.6 MATLAB在系统校正中的应用 166

习题 168

第7章 线性离散系统分析 170

7.1 线性离散系统的基本概念 170

7.2 信号的采样与保持 171

7.2.1 采样过程 171

7.2.2 信号保持 175

7.3 z变换 177

7.3.1 z变换定义 177

7.3.2 z变换方法 178

7.3.3 z逆变换方法 180

7.3.4 脉冲传递函数 183

7.3.5 线性离散系统的开环脉冲传递函数 184

7.3.6 z变换法的局限性 190

7.4 离散系统的稳定性分析 191

7.4.1 离散系统稳定的充分必要条件 192

7.4.2 劳斯稳定判据 192

7.4.3 线性离散系统的时域分析 195

7.4.4 线性离散系统的稳态误差 196

7.5 基于MATLAB的线性离散系统分析 198

习题 202

第8章 非线性控制系统分析 206

8.1 非线性控制系统概述 206

8.1.1 典型非线性环节 206

8.1.2 非线性系统特征 208

8.1.3 非线性系统分析方法 209

8.2 描述函数法 209

8.2.1 描述函数定义 209

8.2.2 典型非线性特性的描述函数 210

8.2.3 非线性特性描述函数简化 214

8.2.4 描述函数法应用条件 215

8.2.5 应用描述函数分析非线性系统 216

8.3 相平面法 218

8.3.1 相平面法概念 218

8.3.2 相轨迹绘制方法 219

8.3.3 奇点 222

8.3.4 非线性系统相平面分析 224

8.4 非线性控制系统MATLAB设计 227

习题 231

第9章 线性系统的状态空间分析 235

9.1 线性系统状态空间描述 235

9.1.1 系统状态空间描述的基本概念 235

9.1.2 状态空间表达式的建立 236

9.1.3 状态空间表达式的线性变换 241

9.1.4 从状态空间表达式求传递函数阵 245

9.1.5 状态空间表达式解 248

9.1.6 线性离散时间系统状态空间表达式建立及其解 251

9.2 线性系统的能控性和能观性 254

9.2.1 线性定常连续系统的能控性与能观性 254

9.2.2 线性定常离散系统的能控性与能观性 258

9.2.3 线性定常系统能控性与能观性的对偶关系 259

9.2.4 线性定常系统的能控标准型和能观标准型 260

9.2.5 线性定常系统的结构分解 264

9.3 线性定常系统反馈及状态观测器 268

9.3.1 线性反馈控制系统的基本结构及其特性 268

9.3.2 极点配置 269

9.3.3 全维状态观测器 271

9.4 李雅普诺夫稳定性方法 273

9.4.1 李雅普诺夫稳定性定义 273

9.4.2 李雅普诺夫第一法 274

9.4.3 李雅普诺夫第二法 276

9.4.4 线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析 278

9.5 基于MATLAB的状态空间分析 280

习题 282

附录 287

附录A 常用函数的拉普拉斯变换表和z变换表 287

附录B 本书常用MATLAB命令及工具 287

参考文献 295