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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）2

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4

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5

1.3.6 单输入单输出系统与多输入多输出系统5

1.4 自动控制系统性能的基本要求5

1.5 自动控制课程的主要任务6

1.5.1 阶跃函数6

1.5.2 斜坡函数（等速度函数）7

1.5.3 抛物线函数（等加速度函数）7

1.5.4 脉冲函数7

1.5.5 正弦函数8

1.6 自动控制系统实例8

1.6.1 造纸机分部传动控制系统8

1.6.2 谷物湿度控制系统8

1.6.3 烘烤炉温度控制系统9

本章小结9

本章典型题、考研题详解及习题9

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15

2.3 传递函数17

2.3.1 传递函数的概念17

2.3.2 传递函数的特点18

2.3.3 典型环节的传递函数19

2.4 方框图23

2.4.1 方框图概述23

2.4.2 系统方框图的构成24

2.4.3 环节间的连接26

2.4.4 方框图的变换和简化27

2.5 信号流图30

2.5.1 信号流图的定义30

2.5.2 系统的信号流图30

2.5.3 信号流图的定义和术语31

2.5.4 信号流图的性质及简化32

2.5.5 信号流图的增益公式32

2.6 MATLAB/Simulink中数学模型的表示35

2.6.1 传递函数36

2.6.2 传递函数的特征根及零、极点图36

2.6.3 控制系统的方框图模型38

2.6.4 控制系统的零、极点模型39

2.6.5 状态空间表达式39

本章小结40

本章典型题、考研题详解及习题41

第3章 控制系统的时域分析52

3.1 线性定常系统的时域响应52

3.2 控制系统时域响应的性能指标53

3.2.1 稳态性能指标53

3.2.2 动态性能指标53

3.3 线性定常系统的稳定性54

3.3.1 稳定性的概念54

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）56

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63

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68

3.4.7 系统的动态误差系数69

3.5 一阶系统的时域响应70

3.5.1 数学模型70

3.5.2 单位阶跃响应70

3.5.3 性能指标71

3.5.4 一阶系统的单位脉冲响应71

3.6 二阶系统的时域响应71

3.6.1 二阶系统的数学模型71

3.6.2 二阶系统的单位阶跃响应72

3.6.3 二阶系统的单位脉冲响应76

3.7 高阶系统的瞬态响应78

3.7.1 高阶系统的瞬态响应78

3.7.2 高阶系统的降阶79

3.7.3 零、极点对阶跃响应的影响80

3.8 用MATLAB/Simulink进行瞬态响应分析82

3.8.1 单位脉冲响应82

3.8.2 单位阶跃响应82

3.8.3 斜坡响应83

3.8.4 任意函数作用下系统的响应84

3.8.5 由系统传递函数求系统的响应85

3.8.6 系统阶跃响应的性能指标86

3.8.7 Simulink建模与仿真87

本章小结91

本章典型题、考研题详解及习题91

第4章 根轨迹法101

4.1 根轨迹的基本概念101

4.1.1 根轨迹101

4.1.2 根轨迹的基本条件102

4.2 绘制根轨迹的基本规则103

4.3 根轨迹绘制举例108

4.4 广义根轨迹110

4.4.1 参数根轨迹110

4.4.2 多参数根轨迹簇112

4.4.3 正反馈系统的根轨迹（零度根轨迹）112

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117

4.5.4 开环极点对根轨迹的影响118

4.6 MATLAB绘制系统的根轨迹119

本章小结122

本章典型题、考研题详解及习题123

第5章 控制系统的频域分析133

5.1 频率特性133

5.1.1 频率特性概述133

5.1.2 频率特性的求取135

5.1.3 频域性能指标136

5.2 典型环节的频率特性136

5.2.1 概述136

5.2.2 典型环节的频率特性138

5.3 系统的开环频率特性144

5.3.1 系统的开环对数频率特性144

5.3.2 系统开环极坐标图（奈氏图）148

5.3.3 最小相位和非最小相位系统150

5.4 奈奎斯特稳定判据152

5.4.1 映射定理153

5.4.2 Nyquist轨迹及其映射154

5.4.3 Nyquist稳定判据一156

5.4.4 Nyquist稳定判据二157

5.4.5 Nyquist对数稳定判据158

5.5 控制系统的相对稳定性159

5.5.1 增益裕量160

5.5.2 相角裕量161

5.5.3 用幅相频率特性曲线分析系统稳定性163

5.6 闭环系统的频率特性163

5.6.1 等M圆（等幅值轨迹）164

5.6.2 等N圆（等相角轨迹）164

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165

5.6.4 非单位反馈系统的闭环频率特性166

5.7 用频率特性分析系统品质166

5.7.1 闭环频域性能指标与时域性能指标的关系166

5.7.2 开环频率特性与时域响应的关系168

5.8 MATLAB频域特性分析170

5.8.1 Bode图171

5.8.2 Nyquist图171

5.8.3 Nichols图174

本章小结174

本章典型题、考研题详解及习题175

第6章 控制系统的设计与校正184

6.1 概述184

6.1.1 系统的性能指标184

6.1.2 系统的校正186

6.2 线性系统的基本控制规律187

6.2.1 比例（P）控制作用188

6.2.2 比例-微分（PD）控制作用188

6.2.3 积分（I）控制作用190

6.2.4 比例-积分-微分（PID）控制作用191

6.3 校正装置及其特性193

6.3.1 无源超前校正装置193

6.3.2 无源滞后校正装置194

6.3.3 无源滞后超前校正装置195

6.4 频率法进行串联校正197

6.4.1 频率法的串联超前校正197

6.4.2 频率法的串联滞后校正199

6.4.3 频率法的串联滞后-超前校正201

6.4.4 按期望特性对系统进行串联校正204

6.5 反馈校正206

6.5.1 比例负反馈校正206

6.5.2 微分负反馈校正206

6.5.3 反馈校正的设计207

6.6 复合校正209

6.6.1 反馈控制与前馈校正的复合控制209

6.6.2 反馈控制与扰动补偿校正的复合控制210

6.7 基于MATLAB和Simulink的线性控制系统设计211

6.7.1 相位超前校正211

6.7.2 相位滞后校正212

6.7.3 Simulink下的系统设计和校正213

本章小结216

本章典型题、考研题详解及习题216

第7章 非线性系统分析227

7.1 非线性系统概述227

7.1.1 非线性系统的特点227

7.1.2 非线性系统的分析和设计方法228

7.2 典型非线性特性229

7.3 相平面分析法231

7.3.1 相平面的基本概念231

7.3.2 线性系统的相轨迹232

7.3.3 二阶非线性系统的线性化234

7.3.4 相轨迹图的绘制236

7.3.5 由相轨迹图求时间238

7.3.6 非线性系统的相平面分析238

7.4 描述函数法243

7.4.1 描述函数的定义243

7.4.2 典型非线性环节的描述函数244

7.4.3 非线性系统的简化248

7.4.4 描述函数分析法249

7.5 基于Simulink的非线性系统分析252

7.5.1 非线性系统的特点252

7.5.2 非线性系统的响应253

7.5.3 非线性系统的相轨迹253

本章小结254

本章典型题、考研题详解及习题255

第8章 采样控制系统266

8.1 概述266

8.2 采样过程与采样定理268

8.3 采样信号保持器270

8.3.1 零阶保持器270

8.3.2 一阶保持器271

8.4 Z变换272

8.4.1 Z变换定义272

8.4.2 Z变换方法273

8.4.3 Z变换性质275

8.4.4 Z反变换276

8.5 采样系统的数学模型278

8.5.1 线性定常差分方程278

8.5.2 差分方程求解279

8.5.3 脉冲传递函数（Z传递函数）280

8.6 采样系统的稳定性分析286

8.6.1 采样系统的稳定条件286

8.6.2 劳斯稳定判据286

8.6.3 朱利稳定判据288

8.6.4 采样周期与开环增益对稳定性的影响289

8.7 采样系统的稳态误差291

8.7.1 单位阶跃输入时的稳态误差291

8.7.2 单位斜坡输入时的稳态误差291

8.7.3 单位加速度输入时的稳态误差292

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292

8.9 采样系统的校正295

8.9.1 数字控制器的脉冲传递函数295

8.9.2 最少拍系统的脉冲传递函数296

8.9.3 求取数字控制器的脉冲传递函数298

8.9.4 关于闭环脉冲传递函数Φ（z）或Φe（z）的讨论299

8.10 MATLAB在采样系统中的应用302

8.10.1 连续系统的离散化302

8.10.2 求采样系统的响应302

8.10.3 采样系统的最少拍设计304

本章小结305

本章典型题、考研题详解及习题305

附录A常用函数的拉普拉斯变换表313

附录B常用函数的Z变换表315

参考文献316