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第1章 绪论1

1.1自动控制系统的基本概念1

1.1.1自动控制系统1

1.1.2开环控制与闭环控制1

1.2自动控制系统的基本构成和分类4

1.2.1自动控制系统的基本构成4

1.2.2自动控制系统的分类5

1.3自动控制理论的发展历史6

1.3.1经典控制论阶段（20世纪50年代末期以前）6

1.3.2现代控制论阶段（20世纪50年代末期至70年代初期）7

1.3.3大系统理论阶段与智能控制理论阶段（20世纪70年代初期至现在）7

1.4自动控制系统性能的基本要求和本课程的任务8

1.4.1自动控制系统性能的基本要求8

1.4.2本课程的任务9

1.5自动控制系统的工程应用10

1.5.1电加热炉温度控制系统10

1.5.2工作台位置控制系统10

1.5.3飞机自动驾驶控制系统11

1.5.4火炮方位角控制系统12

1.5.5水箱液位控制系统12

1.6自动控制系统的分析与设计工具——Matlab13

1.6.1 Matlab简介13

1.6.2 Matlab控制系统工具箱13

习题14

第2章 数学基础15

2.1拉普拉斯变换15

2.1.1拉普拉斯变换的定义15

2.1.2拉普拉斯变换的性质16

2.2拉普拉斯反变换20

2.2.1拉普拉斯反变换的定义20

2.2.2拉普拉斯反变换的部分分式展开20

2.3 Matlab运算基础25

2.3.1矩阵运算25

2.3.2符号运算28

2.3.3关系运算和逻辑运算31

习题33

第3章 线性系统的数学模型34

3.1系统的时域模型34

3.1.1线性系统的微分方程34

3.1.2线性微分方程的求解36

3.2系统的复数域模型37

3.2.1传递函数的定义37

3.2.2传递函数的性质38

3.2.3传递函数的求法39

3.2.4典型环节的传递函数41

3.3系统的结构框图及其等效变换45

3.3.1结构框图的组成45

3.3.2结构框图的绘制46

3.3.3结构框图的等效变换47

3.3.4结构框图的化简51

3.4信号流图与梅森公式53

3.4.1信号流图53

3.4.2梅森公式55

3.5 Matlab控制系统工具箱及数学建模应用56

3.5.1 Matlab控制系统工具箱简介56

3.5.2 Matlab控制系统工具箱在数学建模中的应用57

习题61

第4章 时域分析64

4.1控制系统典型测试信号64

4.1.1阶跃函数64

4.1.2斜坡函数64

4.1.3加速度函数65

4.1.4单位脉冲函数与单位冲激函数65

4.1.5正弦函数65

4.2控制系统时域响应及其性能指标66

4.2.1系统的时域响应66

4.2.2时间响应的性能指标67

4.3一阶系统的时域分析68

4.3.1一阶系统的数学模型68

4.3.2一阶系统的单位阶跃响应69

4.3.3一阶系统的单位脉冲响应69

4.3.4一阶系统的单位斜坡响应70

4.3.5一阶系统的单位加速度响应71

4.4二阶系统的时域分析71

4.4.1二阶系统的典型形式71

4.4.2二阶系统的单位阶跃响应73

4.4.3二阶欠阻尼系统的动态性能指标76

4.4.4二阶系统时域分析计算举例78

4.4.5二阶系统的单位冲激响应80

4.4.6二阶系统的单位斜坡响应80

4.5高阶系统的时域分析81

4.6 Matlab在时域分析中的应用82

4.6.1函数step（）82

4.6.2函数impulse（）84

4.6.3函数gensig（）85

4.6.4函数lsim（）85

习题88

第5章 根轨迹法90

5.1根轨迹法的基本概念90

5.1.1根轨迹的基本概念90

5.1.2根轨迹与系统性能91

5.1.3闭环零、极点与开环零、极点之间的关系92

5.1.4根轨迹方程93

5.2绘制根轨迹的基本法则95

5.3广义根轨迹104

5.3.1参数根轨迹105

5.3.2零度根轨迹106

5.4利用根轨迹分析系统性能109

5.4.1利用闭环主导极点估算系统的性能指标109

5.4.2开环零、极点分布对系统性能的影响113

5.5 Matlab在根轨迹法中的应用115

5.5.1 pzmap（）函数115

5.5.2 rlocus（）函数116

5.5.3 rlocfind（）函数117

习题118

第6章 频域分析119

6.1频率特性的基本概念119

6.1.1 RC网络119

6.1.2频率特性的定义120

6.1.3频率特性的表示方法121

6.1.4频率特性与传递函数之间的关系122

6.1.5频率特性的性质122

6.2奈奎斯特图分析法123

6.2.1典型环节的奈奎斯特图123

6.2.2奈奎斯特图的画法127

6.3开环系统的伯德图分析法128

6.3.1伯德图的基本概念128

6.3.2典型环节的伯德图129

6.3.3开环传递函数的伯德图画法135

6.4系统的闭环频率特性137

6.4.1闭环频率特性137

6.4.2闭环频率特性曲线的绘制138

6.4.3闭环频率指标139

6.5频域性能指标与时域性能指标之间的关系140

6.5.1时域性能指标140

6.5.2频域性能指标140

6.5.3频域指标与时域指标之间的关系141

6.6 Matlab在频域分析中的应用142

6.6.1 nyquist曲线的绘制142

6.6.2 Bode图的绘制143

习题146

第7章 系统稳定性分析148

7.1系统稳定性的基本概念148

7.2线性定常系统稳定的充要条件149

7.3劳斯稳定判据151

7.4奈奎斯特稳定判据154

7.4.1辅助函数的构造154

7.4.2辅角定理155

7.4.3奈奎斯特稳定判据156

7.5对数频率特性的稳定判据157

7.6系统的相对稳定性分析158

7.6.1相角裕量γ158

7.6.2增益裕量159

7.7 Matlab在系统稳定性分析中的应用160

7.7.1用时域分析法判断系统稳定性160

7.7.2用根轨迹法判断系统的稳定性162

7.7.3用频率法判定系统稳定性163

习题166

第8章 误差分析167

8.1稳态误差的基本概念167

8.2给定信号作用下的稳态误差及计算170

8.2.1阶跃输入作用下的稳态误差与静态位置误差系数170

8.2.2斜坡输入作用下的稳态误差与静态速度误差系数170

8.2.3加速度输入作用下的稳态误差与静态加速度误差系数172

8.2.4动态误差系数174

8.3扰动信号作用下的稳态误差及计算175

8.4改善系统稳态精度的方法176

8.4.1增大系统开环增益或扰动作用点之前系统的前向通道增益176

8.4.2在系统的前向通道或主反馈通道设置串联积分环节177

8.4.3采用串级控制抑制内回路扰动178

8.4.4采用复合控制方法180

习题180

第9章 系统的设计与校正181

9.1概述181

9.1.1综合与校正的基本原则181

9.1.2校正方式182

9.2超前校正183

9.2.1超前校正的基本形式184

9.2.2超前校正的设计步骤185

9.3滞后校正186

9.3.1滞后校正的基本形式186

9.3.2滞后校正的设计步骤187

9.4滞后-超前校正189

9.4.1滞后-超前校正的基本形式189

9.4.2滞后-超前校正的设计步骤189

9.5 PID控制规则191

9.5.1比例（P）控制器192

9.5.2积分（I）控制器193

9.5.3微分（D）控制器194

9.5.4比例-积分（PI）控制器194

9.5.5比例-微分（PD）控制器195

9.5.6比例-积分-微分（PID）控制器196

9.6 Matlab在系统设计与校正中的应用197

9.6.1使用Matlab进行超前校正197

9.6.2使用Matlab进行滞后校正199

9.6.3使用Matlab进行滞后超前校正200

习题203

附录1常用拉氏变换表205

附录2常用校正装置206

附录3控制系统工具箱中的常用Matlab命令207

参考文献208