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第1章 绪论1

1.1 引言1

1.1.1 自动控制理论发展简史2

1.1.2 控制工程实践2

1.2 反馈控制的基本原理4

1.2.1 人工控制与自动控制4

1.2.2 反馈控制系统的基本组成和常用术语5

1.2.3 自动控制系统的基本控制方式7

1.3 自动控制系统工程实例9

1.3.1 电冰箱制冷控制系统9

1.3.2 倒立摆控制系统10

1.3.3 位置随动控制系统11

1.3.4 移动机器人控制系统12

1.4 自动控制系统分类13

1.4.1 按描述系统的数学模型分类13

1.4.2 按系统传输信号的性质分类14

1.4.3 按输入信号r（t）的变换规律分类14

1.5 控制系统设计概述14

1.5.1 对控制系统的基本要求14

1.5.2 自动控制系统的设计原则16

习题一17

第2章 控制系统的数学模型19

2.1 系统的微分方程19

2.1.1 列写物理系统的微分方程19

2.1.2 控制系统微分方程的建立23

2.1.3 非线性微分方程的线性化24

2.2 传递函数25

2.2.1 传递函数的概念和求取25

2.2.2 单位脉冲响应29

2.2.3 典型环节的传递函数和单位阶跃响应30

2.3 结构图34

2.3.1 结构图的组成和绘制35

2.3.2 方框图的基本连接与等效变换37

2.4 控制系统的传递函数42

2.4.1 系统的开环传递函数42

2.4.2 闭环系统的传递函数43

2.4.3 系统的误差传递函数43

2.4.4 常用控制器的传递函数45

2.5 信号流图46

2.5.1 信号流图的术语47

2.5.2 信号流图的基本性质48

2.5.3 梅森增益公式的应用48

2.6 控制系统建模实例50

2.6.1 一级倒立摆系统的建模50

2.6.2 用MATLAB处理数学模型52

2.6.3 不同形式模型之间的相互转换53

2.7 小结54

习题二54

第3章 线性控制系统的时域分析法58

3.1 系统时间响应的性能指标58

3.1.1 典型输入信号58

3.1.2 动态性能与稳态性能60

3.2 控制系统的时域分析61

3.2.1 一阶系统时域分析61

3.2.2 二阶系统时域分析63

3.2.3 高阶系统时域分析73

3.3 线性系统稳定性分析75

3.3.1 稳定性的基本概念76

3.3.2 劳斯（Routh）稳定判据77

3.3.3 稳定判据的应用80

3.4 线性系统的稳态误差分析82

3.4.1 误差与稳态误差的基本概念82

3.4.2 系统的类型83

3.4.3 典型输入信号作用下的稳态误差83

3.4.4 扰动作用下的稳态误差86

3.4.5 减小或消除稳态误差的措施88

3.5 MATLAB在时域分析与设计中的应用89

3.5.1 用MATLAB分析系统的时域响应89

3.5.2 用MATLAB分析系统的稳定性及稳态误差94

3.5.3 用MATLAB分析一级倒立摆系统的时域响应95

3.6 小结96

习题三97

第4章 线性控制系统的根轨迹分析法101

4.1 根轨迹的基本概念101

4.1.1 根轨迹的概念101

4.1.2 根轨迹与系统性能102

4.1.3 闭环零、极点与开环零、极点的关系103

4.1.4 根轨迹方程104

4.2 根轨迹绘制的基本法则105

4.3 广义根轨迹113

4.3.1 参数根轨迹113

4.3.2 零度根轨迹114

4.4 用根轨迹法分析控制系统性能116

4.4.1 用闭环零、极点表示的阶跃响应表达式116

4.4.2 闭环零、极点分布与阶跃响应的定性关系117

4.4.3 利用主导极点估算系统性能指标118

4.5 基于MATLAB的根轨迹分析120

4.5.1 绘制系统根轨迹图的MATLAB命令120

4.5.2 一级倒立摆系统的根轨迹分析122

4.6 小结123

习题四124

第5章 线性控制系统的频域分析法126

5.1 频率特性126

5.1.1 频率响应的基本概念126

5.1.2 频率特性的表示方法129

5.2 极坐标图130

5.2.1 典型环节的极坐标图131

5.2.2 开环系统的极坐标图136

5.3 对数坐标图140

5.3.1 典型环节的对数坐标图140

5.3.2 开环对数频率特性曲线147

5.3.3 最小相位系统和非最小相位系统151

5.3.4 系统类型与开环对数幅频特性的关系152

5.4 奈奎斯特稳定判据154

5.4.1 开环与闭环系统零、极点间的关系154

5.4.2 幅角原理155

5.4.3 奈奎斯特稳定判据158

5.4.4 奈奎斯特稳定判据在Bode图上的应用163

5.5 相对稳定性分析166

5.5.1 幅值裕度166

5.5.2 相角裕度168

5.5.3 基于开环对数频率特性的闭环系统性能分析169

5.6 闭环频率特性与时域性能指标的关系172

5.6.1 闭环频率特性指标172

5.6.2 闭环频域指标和时域性能指标的关系175

5.7 基于MATLAB的频率特性分析177

5.7.1 利用MATLAB绘制伯德图177

5.7.2 利用MATLAB绘制奈氏图180

5.7.3 一级倒立摆系统的频域法分析182

5.8 小结183

习题五184

第6章 线性控制系统的校正189

6.1 引言189

6.1.1 校正及校正装置189

6.1.2 校正的方法189

6.1.3 系统的性能指标190

6.2 常用校正装置及其特性191

6.2.1 超前校正装置191

6.2.2 滞后校正装置193

6.2.3 滞后-超前校正装置193

6.3 根轨迹法设计串联校正195

6.3.1 超前校正的根轨迹法设计195

6.3.2 滞后校正的根轨迹法设计199

6.3.3 滞后-超前校正的根轨迹法设计201

6.4 频率法设计串联校正204

6.4.1 超前校正的频率法设计204

6.4.2 滞后校正的频率法设计207

6.4.3 滞后-超前校正的频率法设计209

6.5 PID控制器212

6.5.1 PID控制器原理213

6.5.2 PID校正的参数整定法设计214

6.6 一级倒立摆系统的频域分析与设计218

6.6.1 采用超前校正装置设计219

6.6.2 采用滞后-超前校正装置设计221

6.7 小结222

习题六223

第7章 线性离散控制系统226

7.1 概述226

7.1.1 离散控制系统的基本概念226

7.1.2 离散控制系统的分析与校正设计方法227

7.2 信号采样与保持227

7.2.1 信号采样227

7.2.2 零阶保持器229

7.3 离散系统的数学模型231

7.3.1 Z变换231

7.3.2 Z反变换235

7.3.3 差分方程237

7.3.4 脉冲传递函数238

7.4 离散控制系统的性能分析244

7.4.1 离散系统稳定性分析244

7.4.2 离散控制系统的动态性能分析248

7.4.3 离散控制系统的稳态误差分析250

7.5 采样系统设计252

7.5.1 最小拍采样系统设计253

7.5.2 有限拍采样系统设计254

7.6 MATLAB在离散控制系统分析中的应用257

7.6.1 离散系统的数学模型257

7.6.2 离散系统的时域分析259

7.7 小结260

习题七261

第8章 非线性控制系统分析264

8.1 非线性系统概述264

8.1.1 典型非线性特性264

8.1.2 非线性系统的特点267

8.1.3 非线性控制系统的分析研究方法268

8.2 相平面法268

8.2.1 相平面的基本概念268

8.2.2 相轨迹的性质269

8.2.3 相轨迹的绘制270

8.2.4 奇点与极限环271

8.2.5 非线性系统的相平面分析法274

8.3 描述函数法277

8.3.1 描述函数的基本概念277

8.3.2 典型非线性元件的描述函数278

8.3.3 用描述函数法分析非线性控制系统281

8.4 MATLAB在非线性控制系统中的应用283

8.5 小结285

习题八286

第9章 自动控制理论的应用实例288

9.1 磁悬浮控制系统设计288

9.1.1 磁悬浮系统的应用背景288

9.1.2 磁悬浮系统的基本组成与工作原理289

9.1.3 磁悬浮系统的数学建模289

9.1.4 磁悬浮系统的控制器设计292

9.1.5 基于MATLAB的磁悬浮系统设计294

9.2 移动机器人控制系统设计297

9.2.1 移动机器人控制系统的应用背景297

9.2.2 移动机器人系统的基本组成与工作原理298

9.2.3 移动机器人系统的数学建模299

9.2.4 移动机器人系统的控制器设计299

9.2.5 移动机器人实物实验305

9.3 直流电动机调速系统设计306

9.3.1 直流电动机调速系统简介306

9.3.2 直流调速系统的工作原理307

9.3.3 闭环直流调速系统的数学模型308

9.3.4 闭环直流调速系统的设计实例311

9.4 小结316

附录A 拉普拉斯变换317

A.1 拉普拉斯变换的概念317

A.2 拉普拉斯反变换320

A.3 拉普拉斯变换求解微分方程323

附录B MATLAB常用控制系统命令索引325

附录C 自动控制原理的常用技术术语中英文对照330

参考文献334