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第1章 自动控制的基本概念1

1.1自动控制系统2

1.2自动控制系统的类型5

1.2.1开环、闭环与复合控制系统6

1.2.2线性系统与非线性系统7

1.2.3连续系统与离散系统8

1.2.4定常系统与时变系统9

1.2.5 SISO系统和MIMO系统10

1.2.6集中参数系统与分布参数系统10

1.3控制系统性能的基本要求10

1.3.1稳定性10

1.3.2暂态性能11

1.3.3稳态性能11

1.4本书内容的安排11

本章小结12

习题与应用题13

第2章 连续系统的数学模型17

2.1系统数学模型的概念18

2.1.1数学模型的定义与主要类型18

2.1.2建立数学模型的方法19

2.2微分方程描述19

2.3传递函数25

2.3.1传递函数与脉冲响应函数的定义25

2.3.2传递函数的表达式26

2.3.3线性系统的基本环节27

2.4结构图30

2.4.1结构图的基本组成30

2.4.2结构图的变换法则33

2.4.3结构图的简化33

2.4.4反馈控制系统的传递函数38

2.5信号流图41

2.5.1信号流图的定义及基本性质41

2.5.2信号流图的构造42

2.5.3信号流图的变换法则与简化45

2.5.4梅森增益公式48

2.6系统数学模型的MATLAB表示50

2.6.1传递函数的MATLAB表示51

2.6.2结构图的MATLAB表示53

本章小结53

习题与应用题54

第3章 时域分析法63

3.1稳定性分析64

3.1.1稳定性的概念64

3.1.2系统稳定的条件65

3.1.3劳斯稳定判据66

3.1.4赫尔维茨稳定判据71

3.2暂态性能分析73

3.2.1典型输入信号73

3.2.2暂态性能指标75

3.2.3一阶系统的暂态性能分析77

3.2.4典型二阶系统的暂态性能分析79

3.2.5高阶系统暂态性能近似分析87

3.3稳态性能分析93

3.3.1控制系统误差与稳态误差的定义93

3.3.2控制系统型号或无差度的定义95

3.3.3终值定理法96

3.3.4误差系数法99

3.3.5扰动作用下的稳态误差分析102

3.3.6复合控制系统及误差分析105

3.4 MATLAB辅助分析控制系统时域性能108

3.4.1 MATLAB辅助控制系统稳定性分析108

3.4.2 MATLAB求控制系统的单位阶跃响应108

本章小结110

习题与应用题111

第4章 根轨迹法121

4.1根轨迹的基本概念122

4.2根轨迹的绘制123

4.3零度根轨迹的绘制126

4.4广义根轨迹的绘制129

4.5控制系统的根轨迹分析法130

4.6用MATLAB绘制根轨迹131

本章小结132

习题与应用题133

第5章 频率法135

5.1频率特性136

5.1.1频率特性的定义136

5.1.2频率响应137

5.1.3频率特性的几何表示139

5.2典型环节频率特性的伯德图141

5.3控制系统开环频率特性的伯德图147

5.4由伯德图确定传递函数154

5.4.1最小与非最小相位系统的概念154

5.4.2由伯德图确定传递函数154

5.4.3频率特性的实验确定法156

5.5奈奎斯特稳定判据158

5.5.1辐角原理159

5.5.2奈奎斯特稳定判据159

5.5.3举例163

5.6控制系统相对稳定性分析169

5.7 MATLAB在频率法中的应用173

5.7.1用 MATLAB绘制奈氏图173

5.7.2用MATLAB绘制伯德图174

5.7.3用MATLAB分析相对稳定性174

本章小结175

习题与应用题176

第6章 线性系统的校正方法183

6.1控制系统校正的概念184

6.1.1控制系统的设计步骤184

6.1.2校正的概念与校正方案185

6.1.3校正方法189

6.2超前校正190

6.2.1超前校正及其特性190

6.2.2用频域法确定超前校正参数193

6.2.3超前校正装置196

6.3滞后校正199

6.3.1滞后校正及其特性199

6.3.2用频域法确定滞后校正参数201

6.3.3滞后校正装置204

6.4滞后-超前校正206

6.4.1滞后-超前校正网络206

6.4.2用频域法确定滞后-超前校正参数208

6.5串联校正的综合法210

6.5.1综合法的基本方法210

6.5.2按最佳二阶系统校正211

6.5.3按典型三阶系统校正214

6.6 Simulink在控制系统仿真中的应用216

本章小结217

习题与应用题218

第7章 离散系统控制理论221

7.1信号的采样与保持222

7.1.1信号的采样222

7.1.2采样信号的保持227

7.2差分方程232

7.2.1差分方程的概念232

7.2.2微分方程描述的差分化233

7.2.3差分方程的递推解法239

7.2.4差分方程的经典解法240

7.3 z变换243

7.3.1z变换的定义243

7.3.2z变换的基本定理245

7.3.3z变换的基本方法251

7.3.4z逆变换255

7.3.5差分方程的z变换解法261

7.4 z传递函数263

7.4.1z传递函数的概念263

7.4.2开环z传递函数266

7.4.3闭环z传递函数268

7.4.4带有扰动的系统输出z变换式270

7.5线性离散系统的稳定性分析271

7.5.1朱利稳定判据272

7.5.2舒尔-科恩稳定判据273

7.5.3修正劳斯稳定判据274

7.6线性离散系统的暂态性能分析276

7.6.1离散系统的暂态性能指标276

7.6.2离散系统极点分布与动态响应的关系278

7.6.3离散系统暂态性能指标的计算公式280

7.7线性离散系统的稳态误差分析285

7.8线性离散系统设计方法287

7.8.1数字PID控制288

7.8.2数字控制器的z传递函数289

7.8.3最少拍离散控制系统设计方法290

7.9 MATLAB在离散系统分析中的应用294

本章小结296

习题与应用题298

第8章 非线性控制系统分析303

8.1典型非线性特性304

8.1.1饱和特性304

8.1.2死区特性305

8.1.3间隙特性306

8.1.4继电器特性307

8.2描述函数法308

8.2.1描述函数法的基本思想与条件308

8.2.2描述函数309

8.2.3典型非线性特性的描述函数313

8.2.4用描述函数法分析非线性系统的自激振荡320

8.3相平面法326

8.3.1相平面327

8.3.2相轨迹的绘制方法330

8.3.3奇点334

8.3.4极限环339

8.3.5非线性系统相平面分区线性化方法342

8.4 MATLAB在非线性系统分析中的应用345

本章小结346

习题与应用题347

第9章 控制系统的状态空间分析351

9.1状态空间模型352

9.1.1状态与状态空间的概念352

9.1.2系统的状态空间描述353

9.1.3状态方程的线性变换356

9.2线性系统的能控性和能观性分析358

9.2.1系统能控性和能观性问题358

9.2.2线性定常系统的能控性359

9.2.3线性定常系统的能观性364

9.2.4状态空间表达式的能控标准型与能观标准型368

9.2.5对偶原理373

9.3李雅普诺夫稳定判据374

9.3.1李雅普诺夫稳定性定义375

9.3.2李雅普诺夫稳定判据377

9.3.3线性连续系统的李雅普诺夫稳定判据380

9.3.4线性离散系统的李雅普诺夫稳定判据381

9.4状态方程的求解384

9.4.1线性连续系统状态方程的求解384

9.4.2线性离散系统状态方程的求解386

9.5状态反馈控制与状态观测器的设计389

9.5.1状态反馈390

9.5.2状态反馈的设计391

9.5.3状态观测器的设计396

9.6线性二次型最优控制399

9.6.1线性二次型最优控制问题399

9.6.2线性连续系统有限时间状态调节器400

9.6.3线性连续系统无限时间定常状态调节器402

9.6.4线性离散系统状态调节器405

9.7 MATLAB在状态空间分析中的应用407

本章小结408

习题与应用题409

附录 常用拉普拉斯变换和z变换表415

习题与应用题部分参考答案419

参考文献431