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第1章　绪论1

1.1　开环控制和闭环控制2

1.1.1　开环控制2

1.1.2　闭环控制（反馈控制）3

1.2　自动控制系统的组成及术语3

1.3　自动控制系统的类型4

1.3.1　按信号流向划分4

1.3.2　按系统输入信号划分5

1.3.3　线性系统和非线性系统5

1.3.4　定常系统和时变系统5

1.3.5　连续系统和离散系统6

1.3.6　单输入单输出系统与多输入多输出系统6

1.4 自动控制系统性能的基本要求6

1.5 自动控制课程的主要任务7

1.5.1　阶跃函数7

1.5.2　斜坡函数（等速度函数）8

1.5.3　抛物线函数（等加速度函数）8

1.5.4　脉冲函数8

1.5.5　正弦函数9

1.6 自动控制系统实例9

1.6.1　造纸机分部传动控制系统9

1.6.2　谷物湿度控制系统10

1.6.3　烘烤炉温度控制系统10

本章小结10

习题11

第2章　线性系统的数学模型12

2.1　线性系统的微分方程12

2.2　微分方程的线性化17

2.3　传递函数19

2.3.1　传递函数的概念19

2.3.2　传递函数的特点21

2.3.3　典型环节的传递函数22

2.4　方框图27

2.4.1　方框图27

2.4.2　系统方框图的构成27

2.4.3　环节间的连接30

2.4.4　方框图的变换和简化31

2.5　信号流图34

2.5.1　信号流图的定义35

2.5.2　系统的信号流图35

2.5.3　信号流图的定义和术语36

2.5.4　信号流图的性质36

2.5.5　信号流图的简化37

2.5.6　信号流图的增益公式38

2.6　MATLAB中数学模型的表示41

2.6.1　传递函数41

2.6.2　传递函数的特征根及零、极点图42

2.6.3　控制系统的方框图模型43

2.6.4　控制系统的零、极点模型44

2.6.5　状态空间表达式45

本章小结46

习题47

第3章　控制系统的时域分析51

3.1　线性定常系统的时域响应51

3.2　控制系统时域响应的性能指标52

3.2.1　稳态性能指标52

3.2.2　动态性能指标52

3.3　线性定常系统的稳定性53

3.3.1　稳定性的概念53

3.3.2　线性定常系统稳定的充分必要条件54

3.3.3　劳斯判据（Routh判据）55

3.3.4　赫尔维茨判据（Hurwitz判据）59

3.3.5　系统参数对稳定性的影响60

3.3.6　相对稳定性和稳定裕量61

3.4　系统的稳态误差62

3.4.1　误差及稳态误差的定义62

3.4.2　稳态误差分析64

3.4.3　稳态误差的计算64

3.4.4　应用静态误差系数计算给定信号作用下的稳态误差65

3.4.5　扰动信号作用下的稳态误差与系统结构的关系68

3.4.6　改善系统稳态精度的途径69

3.4.7　系统的动态误差系数70

3.5　一阶系统的时域响应71

3.5.1　数学模型71

3.5.2　单位阶跃响应71

3.5.3　性能指标72

3.5.4　一阶系统的单位脉冲响应72

3.6　二阶系统的时域响应72

3.6.1　二阶系统的数学模型72

3.6.2　二阶系统的单位阶跃响应73

3.6.3　二阶系统的单位脉冲响应78

3.7　高阶系统的瞬态响应81

3.7.1　高阶系统的瞬态响应81

3.7.2　高阶系统的降阶82

3.7.3　零、极点对阶跃响应的影响84

3.8　用MATLAB和Simulink进行瞬态响应分析85

3.8.1　单位脉冲响应85

3.8.2　单位阶跃响应86

3.8.3　斜坡响应87

3.8.4　任意函数作用下系统的响应87

3.8.5　由系统传递函数求系统的响应89

3.8.6　系统阶跃响应的性能指标90

3.8.7　Simulink建模与仿真91

本章小结95

习题95

第4章　根轨迹法98

4.1　根轨迹的基本概念98

4.1.1　根轨迹98

4.1.2　根轨迹的基本条件99

4.2　绘制根轨迹的基本规则100

4.3　根轨迹绘制举例107

4.4　广义根轨迹109

4.4.1　参数根轨迹110

4.4.2　多参数根轨迹簇111

4.4.3　正反馈系统的根轨迹（零度根轨迹）111

4.5　根轨迹分析系统的性能114

4.5.1　根轨迹确定系统的闭环极点114

4.5.2　根轨迹分析系统的动态特性115

4.5.3　开环零点对根轨迹的影响116

4.5.4　开环极点对根轨迹的影响117

4.6　MATLAB绘制系统的根轨迹118

本章小结122

习题123

第5章　控制系统的频域分析126

5.1　频率特性126

5.1.1　频率特性概述126

5.1.2　频率特性的求取128

5.1.3　频域性能指标129

5.2　典型环节的频率特性130

5.2.1　概述130

5.2.2　典型环节的频率特性131

5.3　系统的开环频率特性139

5.3.1　系统的开环对数频率特性139

5.3.2　系统开环极坐标图（奈氏图）142

5.3.3　最小相位和非最小相位系统144

5.4　奈奎斯特稳定判据147

5.4.1　映射定理148

5.4.2　Nyquist轨迹及其映射150

5.4.3　Nyquist稳定判据一151

5.4.4　Nyquist稳定判据二152

5.4.5　Nyquist对数稳定判据154

5.5　控制系统的相对稳定性155

5.5.1　增益裕量156

5.5.2　相角裕量157

5.5.3　用幅相频率特性曲线分析系统稳定性158

5.6　闭环系统的频率特性159

5.6.1　等M圆（等幅值轨迹）160

5.6.2　等N圆（等相角轨迹）161

5.6.3　利用等M圆和等N圆求单位反馈系统的闭环频率特性161

5.6.4　非单位反馈系统的闭环频率特性162

5.7　用频率特性分析系统品质162

5.7.1　闭环频域性能指标与时域性能指标的关系163

5.7.2　开环频率特性与时域响应的关系164

5.8　MATLAB频域特性分析167

5.8.1　Bode图167

5.8.2　Nyquist图168

5.8.3　Nichols图171

本章小结172

习题173

第6章　控制系统的设计与校正177

6.1　概述177

6.1.1　系统的性能指标177

6.1.2　系统的校正180

6.2　线性系统的基本控制规律181

6.2.1　比例（P）控制作用182

6.2.2　比例-微分（PD）控制作用182

6.2.3　积分（I）控制作用184

6.2.4　比例-积分-微分（PID）控制作用185

6.3　校正装置及其特性187

6.3.1　无源超前校正装置187

6.3.2　无源滞后校正装置189

6.3.3　无源滞后-超前校正装置190

6.4　采用根轨迹法进行串联校正192

6.4.1　串联超前校正192

6.4.2　串联滞后校正195

6.4.3　滞后-超前校正197

6.5　频率法进行串联校正198

6.5.1　频率法的串联超前校正198

6.5.2　频率法的串联滞后校正200

6.5.3　频率法的串联滞后-超前校正202

6.5.4　按期望特性对系统进行串联校正206

6.6　反馈校正207

6.6.1　比例负反馈校正208

6.6.2　微分负反馈校正208

6.6.3　反馈校正的设计209

6.7　复合校正211

6.7.1　反馈控制与前馈校正的复合控制211

6.7.2　反馈控制与扰动补偿校正的复合控制213

6.8　基于MATLAB和Simulink的线性控制系统设计213

6.8.1　相位超前校正213

6.8.2　相位滞后校正215

6.8.3　Simulink下的系统设计和校正216

本章小结219

习题219

第7章　非线性系统分析222

7.1　非线性系统概述222

7.1.1　非线性系统的特点222

7.1.2　非线性系统的分析和设计方法224

7.2　典型非线性特性224

7.3　相平面分析法227

7.3.1　相平面的基本概念227

7.3.2　线性系统的相轨迹228

7.3.3　二阶非线性系统的线性化231

7.3.4　相轨迹图的绘制233

7.3.5　由相轨迹图求时间234

7.3.6　非线性系统的相平面分析235

7.4　描述函数法241

7.4.1　描述函数的定义241

7.4.2　典型非线性环节的描述函数242

7.4.3　非线性系统的简化246

7.4.4　描述函数分析法247

7.5　基于Simulink的非线性系统分析251

7.5.1　非线性系统的特点251

7.5.2　非线性系统的响应251

7.5.3　非线性系统的相轨迹252

本章小结253

习题253

第8章　采样控制系统258

8.1　概述258

8.2　采样过程与采样定理260

8.3　采样信号保持器262

8.3.1　零阶保持器263

8.3.2　一阶保持器264

8.4　Z变换265

8.4.1 Z变换定义265

8.4.2 Z变换方法266

8.4.3 Z变换性质268

8.4.4 Z反变换270

8.5　采样系统的数学模型273

8.5.1　线性定常差分方程273

8.5.2　差分方程求解274

8.5.3　脉冲传递函数（Z传递函数）275

8.6　采样系统的稳定性分析281

8.6.1　采样系统的稳定条件281

8.6.2　劳斯稳定判据282

8.6.3　朱利稳定判据284

8.6.4　采样周期与开环增益对稳定性的影响285

8.7　采样系统的稳态误差287

8.7.1　单位阶跃输入时的稳态误差287

8.7.2　单位斜坡输入时的稳态误差287

8.7.3　单位加速度输入时的稳态误差288

8.8　采样系统的暂态响应与脉冲传递函数零、极点分布的关系288

8.9　采样系统的校正291

8.9.1　数字控制器的脉冲传递函数292

8.9.2　最少拍系统的脉冲传递函数293

8.9.3　求取数字控制器的脉冲传递函数295

8.9.4　关于闭环脉冲传递函数Ф（z）或Фe（z）的讨论296

8.10　MATLAB在采样系统中的应用300

8.10.1　连续系统的离散化300

8.10.2　求采样系统的响应300

8.10.3　采样系统的最少拍设计303

本章小结303

习题304

附录A　常用函数的拉普拉斯变换表307

附录B　常用函数的Z变换表309

附录C　控制理论术语中英文对照310

参考文献323