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第1章 绪论1

1.1 自动控制的发展概述1

1.2 控制系统工作原理3

1.3 自动控制系统的类型5

1.3.1 开环控制系统和闭环控制系统5

1.3.2 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统7

1.3.3 连续控制系统和离散控制系统8

1.3.4 线性控制系统和非线性控制系统9

1.3.5 单变量控制系统和多变量控制系统10

1.4 小结11

习题12

第2章 线性控制系统的运动方程及模型描述15

2.1 引言15

2.2 传递函数16

2.2.1 传递函数的定义16

2.2.2 传递函数的极点和零点17

2.2.3 典型环节及其传递函数17

2.3 线性控制系统的数学模型20

2.3.1 电气系统的数学模型20

2.3.2 机械系统的数学模型23

2.3.3 工业过程装置的数学模型25

2.3.4 检测与执行装置的数学模型31

2.3.5 典型对象或环节的数学模型37

2.4 框图45

2.4.1 框图的基本符号和连接45

2.4.2 框图的变换和简化47

2.5 信号流图53

2.5.1 信号流图常用术语54

2.5.2 框图及相应的信号流图55

2.5.3 框图与信号流图的转换56

2.5.4 信号流图的运算与简化规则57

2.5.5 梅森增益公式59

2.6 应用MATLAB对数学模型进行描述62

2.6.1 应用MATLAB进行数学模型转换62

2.6.2 应用MATLAB求系统时域解63

2.6.3 基于MATLAB求取系统传递函数65

2.7 运用工程知识解决控制系统复杂工程问题67

2.7.1 槽式反应器的温度控制系统67

2.7.2 反应器的温度控制系统框图68

2.7.3 被控对象的特性分析及数学模型的建立68

2.7.4 构建适应被控对象特性变化的控制系统70

2.8 小结70

习题72

第3章 连续控制系统的时域和频域分析方法78

3.1 引言78

3.2 连续控制系统的时域分析法79

3.2.1 典型输入信号79

3.2.2 控制系统的瞬态响应及性能指标83

3.3 连续控制系统的根轨迹分析法102

3.3.1 根轨迹法的基本概念103

3.3.2 绘制根轨迹的基本条件和规则104

3.3.3 根轨迹绘制方法举例117

3.4 连续控制系统的频域分析法129

3.4.1 频率特性及其与传递函数的关系129

3.4.2 频率特性的图示方法132

3.5 基于MATLAB的时域和频域分析方法159

3.5.1 利用MATLAB求系统的时域响应159

3.5.2 利用MATLAB计算时域性能指标161

3.5.3 应用MATLAB分析系统根轨迹163

3.5.4 应用MATLAB绘制Bode图示例168

3.5.5 应用MATLAB绘制Nyquist图示例173

3.5.6 应用MATLAB绘制Nichols图示例178

3.6 基于学科和专业基础知识分析控制系统复杂工程问题182

3.6.1 生物发酵过程自动控制系统组成182

3.6.2 生物发酵过程输入量（控制量）与输出量（被控量）的关联性分析182

3.6.3 金霉素发酵过程关键变量的优化控制183

3.7 小结186

习题188

第4章 闭环控制系统的稳定性分析191

4.1 引言191

4.2 劳斯稳定判据191

4.2.1 系统稳定性的初步判别192

4.2.2 劳斯判据193

4.2.3 劳斯判据的特殊情况195

4.2.4 劳斯判据的应用198

4.3 奈奎斯特稳定判据200

4.3.1 映射定理201

4.3.2 奈奎斯特稳定判据原理206

4.3.3 开环极点或零点位于jω轴上时的奈奎斯特判据210

4.4 伯德图的稳定性分析214

4.4.1 增益裕量和相角裕量215

4.4.2 相角裕量与过渡过程性能指标的关系218

4.4.3 最小相位系统和非最小相位系统221

4.5 闭环频率特性222

4.5.1 由开环频率特性求取闭环频率特性222

4.5.2 等M圆图和等N圆图223

4.5.3 尼柯尔斯图线225

4.6 应用MATLAB判断系统的稳定性228

4.7 小结229

习题230

第5章 闭环控制系统的误差分析233

5.1 引言233

5.2 控制系统的稳态误差233

5.2.1 稳态误差和误差传递函数233

5.2.2 控制系统的结构类型235

5.2.3 给定输入下（随动系统）的稳态误差235

5.2.4 扰动输入下（定值系统）的稳态误差237

5.3 稳态误差与对数幅频特性曲线的关系240

5.3.1 稳态位置误差系数的确定240

5.3.2 稳态速度误差系数的确定240

5.3.3 稳态加速度误差系数的确定241

5.3.4 减小稳态误差的若干措施241

5.4 使用现代工具对控制系统的复杂工程问题进行预测与模拟243

5.4.1 基于偏差的自动控制系统构成243

5.4.2 参数优化（搜索）中存在的问题243

5.4.3 并行搜索的基本思想244

5.4.4 基于矩阵的多个单纯形并行搜索245

5.4.5 应用举例245

5.5 小结247

习题248

第6章 闭环控制系统的综合校正249

6.1 引言249

6.2 控制系统的根轨迹校正方法249

6.2.1 基于根轨迹的超前校正251

6.2.2 基于根轨迹的滞后校正254

6.3 控制系统的频率特性校正方法257

6.3.1 基于伯德图的超前校正258

6.3.2 基于伯德图的滞后校正261

6.4 PID控制器特性分析及应用265

6.4.1 PID控制规律265

6.4.2 PID控制器参数对控制过程的影响269

6.4.3 PID控制器参数对系统根轨迹的影响272

6.4.4 PID控制器参数对系统频率特性稳定裕量的影响278

6.5 小结283

习题284

第7章 控制系统的状态空间分析与设计286

7.1 引言286

7.2 控制系统的状态空间描述287

7.2.1 状态空间描述的基本概念287

7.2.2 状态空间表达式的建立293

7.2.3 状态空间的线性变换与规范化310

7.3 线性定常连续系统状态方程的解法317

7.4 线性系统的能控性和能观性325

7.4.1 能控性和能观性概念的提出326

7.4.2 线性定常连续系统能控性定义及其判据327

7.4.3 线性定常连续系统能观性定义及其判据334

7.4.4 能控性与能观性的对偶关系340

7.4.5 能控性和能观性与传递函数（矩阵）的关系342

7.5 控制系统的状态空间设计343

7.5.1 状态反馈与极点配置344

7.5.2 状态重构与状态观测器353

7.6 MATLAB在状态空间法中的应用359

7.6.1 状态空间模型建立与转换359

7.6.2 能控性与能观性的判定360

7.6.3 状态反馈系统极点配置361

7.7 小结362

习题363

附录A368

A.1 拉氏变换368

A.1.1 拉氏变换的定义368

A.1.2 基本函数的拉氏变换369

A.1.3 拉氏变换的主要运算定理371

A.2 拉氏变换求解线性常微分方程373

A.2.1 拉氏反变换373

A.2.2 拉氏变换的应用举例373

A.3 海维塞德部分分式展开法376

参考文献382