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第一章 自动控制概论1

1.1 自动控制系统1

1.2　开环控制和闭环控制3

1.2.1　开环控制3

1.2.2　闭环控制3

1.3　控制系统的分类5

1.3.1　按描述系统运动方程分类5

1.3.2　按系统中信号的性质分类6

1.3.3　按参考输入分类6

1.4　控制系统的组成及对控制系统性能的要求7

1.4.1　控制系统的组成7

1.5　控制理论发展简史8

1.4.2　对控制系统的性能要求8

1.6　本课程的特点与学习方法10

小结10

习题11

第二章　系统的数学模型13

2.1　控制系统微分方程的建立13

2.1.1　建立数学模型的基本步骤13

2.1.2　非线性微分方程的线性化17

2.2　拉普拉斯变换19

2.2.1　拉氏变换的定义19

2.2.2　典型函数的拉氏变换20

2.2.3　拉氏变换的基本定理23

2.2.4　应用拉氏变换解线性微分方程24

2.3.1　传递函数的定义27

2.3　传递函数27

2.3.2　典型环节的传递函数29

2.3.3 电气网络的运算阻抗与传递函数32

2.4　控制系统的方框图和传递函数33

2.4.1　框图的概念33

2.4.2　框图的变换规则35

2.4.3　反馈系统的传递函数38

2.4.4　框图的化简41

2.5　信号流图与梅逊公式42

2.5.1　信号流图42

2.5.2　梅逊公式43

2.6　相似原理45

2.7　控制系统的计算机辅助分析47

小结48

习题48

第三章　自动控制系统的时域分析52

3.1　典型信号的控制过程52

3.1.1　典型输入信号52

3.1.2　典型时间响应54

3.2　一阶系统的时域分析55

3.2.1　一阶系统的数学模型55

3.2.2　一阶系统的单位阶跃响应55

3.2.3　一阶系统的单位脉冲响应57

3.2.4　一阶系统的单位斜坡响应58

3.3.1　二阶系统的数学模型59

3.3　二阶系统的时域分析59

3.2.5　三种响应之间的关系59

3.3.2　单位阶跃函数作用下二阶系统的响应（简称阶跃响应）61

3.3.3　二阶系统的性能指标64

3.3.4　二阶系统计算举例68

3.3.5　二阶系统的脉冲响应函数（过渡函数）71

3.3.6　单位斜坡函数作用下二阶系统的响应72

3.3.7　初始条件不为零时二阶系统的响应74

3.4　高阶系统的时域分析75

3.4.1　三阶系统的单位阶跃响应75

3.4.2　高阶系统的单位阶跃响应76

3.5　控制系统的稳定性78

3.5.1　稳定的概念78

3.4.3　闭环主导极点78

3.5.2　线性系统稳定的充要条件79

3.5.3　劳思稳定判据80

3.5.4　古尔维茨稳定判据83

3.6　控制系统的稳态误差84

3.6.1　稳态误差的基本概念84

3.6.2　利用终值定理求稳态误差85

3.6.3 系统的型别与参考输入的稳态误差86

3.6.4　振动信号的稳态误差89

3.6.5　动态误差系数法90

3.7　改善稳态误差精度的方法91

3.7.1　按输入补偿的复合控制92

3.7.2　按扰动补偿的复合控制93

习题94

小结94

4.1　控制系统的根轨迹98

第四章　根轨迹法98

4.2　绘制根轨迹的基本规则100

4.3　根轨迹对系统稳定性分析110

4.4　特殊根轨迹110

4.4.1　参数根轨迹（广义根轨迹）110

4.4.2　零度根轨迹112

4.5　系统闭环零极点分布与阶跃响应的关系114

4.5.1 用闭环零极点表示的阶跃响应解析式114

4.5.2 闭环零极点分布与阶跃响应的定性关系115

4.5.3　主导极点与偶极子116

4.5.4　利用主导极点估算系统的性能指标116

4.6.1 开环零点的变化对根轨迹的影响118

4.6　开环零极点的变化对根轨迹的影响118

4.6.2　开环极点的变化对根轨迹的影响119

小结120

习题121

第五章　频率特性法123

5.1　频率特性的基本概念123

5.2　频率特性的数学表示及几种图示方法125

5.2.1　实频、虚频特性126

5.2.2　幅频特性、相频特性126

5.2.3　幅相频率特性126

5.2.4　对数频率特性127

5.3　幅相频率特性图（极坐标图）的绘制128

5.3.1　典型环节128

5.2.5　Nichols图128

5.3.2　最小相位环节幅相频率特性图的绘制129

5.3.3　开环幅相频率特性图的绘制132

5.4　对数频率特性图绘制135

5.4.1　典型环节的对数频率特性图135

5.4.2　开环对数频率特性的绘制140

5.4.3 系统的类型与对数幅频特性曲线低频渐近线斜率的对应关系142

5.5　最小相位系统144

5.6　传递函数的频域实验确定145

5.7　乃奎斯特稳定判据147

5.7.1　幅角定理147

5.7.2　乃奎斯特稳定性判据150

5.7.3 开环系统含有积分环节时判据的应用152

5.7.4　乃奎斯特稳定判据在伯德图中的表示形式155

5.8　控制系统的相对稳定性157

5.8.1　相角裕度157

5.8.2　幅值裕度157

5.9　频率特性与控制系统性能的关系158

5.9.1　闭环频率特性与控制系统性能的关系159

5.9.2 二阶系统性能指标间的关系160

5.9.3　高阶系统性能指标之间的关系161

5.9.4　开环对数幅频特性与性能指标间的关系161

小结162

习题162

6.1.2　校正方式167

6.1.1　综合、校正的一般概念167

6.1　概述167

第六章　控制系统的综合与校正167

6.1.3　校正方法168

6.2　基本控制规律分析168

6.2.1　比例（P）控制规律168

6.2.2　积分（I）控制规律169

6.2.3　比例—微分（PD）控制规律169

6.2.4　比例—积分（PI）控制规律170

6.2.5 比例—积分—微分（PID）控制规律171

6.3　串联校正172

6.3.1　串联超前校正（PD）172

6.3.2 串联滞后校正（PI）176

6.3.3 串联滞后—超前校正（PID）179

6.3.4 串联校正方式比较182

6.4　串联校正综合法183

6.4.1　期望频率特性法183

6.4.2　按最佳典型系统校正方法186

6.5　反馈校正189

6.5.1　反馈校正功能189

6.5.2 用频率法分析反馈校正系统192

小结194

习题194

第七章　非线性控制系统分析197

7.1　非线性系统概述197

7.1.1　典型的非线性特性197

7.1.2 非线性系统的特点199

7.2.1　描述函数法的基本概念200

7.1.3　非线性系统的研究方法200

7.2　描述函数法200

7.2.2　典型非线性特性的描述函数201

7.2.3　组合非线性特性的描述函数205

7.2.4　非线性系统的描述函数分析207

7.3　相平面分析法210

7.3.1　相平面和相轨迹211

7.3.2　相轨迹绘制211

7.3.3　相平面的特性214

7.3.4　相平面分析217

小结219

习题219

8.1　概述221

第八章　采样系统221

8.2　采样过程和采样定理222

8.2.1　采样过程222

8.2.2　采样定理224

8.2.3　采样周期的选取225

8.3　信号的复现225

8.4　差分方程227

8.4.1　差分方程的定义227

8.4.2　差分方程的解法228

8.5　Z变换228

8.5.1　Z变换的定义228

8.5.2　Z变换的方法229

8.5.3　Z变换的性质231

8.5.4　Z反变换234

8.5.5 用Z变换法求解差分方程235

8.6　脉冲传递函数236

8.6.1　脉冲传递函数的定义236

8.6.2　开环系统脉冲传递函数237

8.6.3　闭环系统脉冲传递函数239

8.7　采样系统的性能分析242

8.7.1　稳定性分析242

8.7.2　稳态误差分析249

8.7.3　动态性能分析252

8.7.4 离散系统极点分布与动态响应的关系253

8.7.5　采样系统的频域分析255

习题257

小结257

第九章　MATLAB语言与自动控制系统设计260

9.1　MATLAB语言简介260

9.1.1　MATLAB的数值运算基础260

9.1.2　矩阵及矩阵函数261

9.1.3 MATLAB的绘图功能263

9.2　自动控制系统设计265

9.2.1　时域分析命令265

9.2.2　频率域命令267

9.2.3　根轨迹法命令271

9.2.4　传递函数的常用命令272

9.2.5　控制系统分析举例274

小结276

参考文献277