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第1章 绪论1

1.1 自动控制系统的一般概念1

1.2 自动控制方式3

1.2.1 开环控制3

1.2.2 闭环控制3

1.3 自动控制系统的组成及术语4

1.3.1 自动控制系统的组成4

1.3.2 自动控制系统实例6

1.4 自动控制系统的分类7

1.4.1 按系统输入信号划分7

1.4.2 按系统传输信号的性质划分7

1.4.3 按系统的输入-输出特性划分8

1.5 对自动控制系统的性能要求及本课程的主要任务8

1.5.1 对自动控制系统的性能要求8

1.5.2 本课程的主要任务9

小结9

习题9

第2章 控制系统的数学模型11

2.1 控制系统的时域数学模型——微分方程11

2.1.1 常见元部件的微分方程12

2.1.2 系统的微分方程14

2.2 拉普拉斯变换15

2.2.1 拉氏变换的定义16

2.2.2 常用函数的拉氏变换16

2.2.3 拉氏变换的基本定理16

2.2.4 拉氏反变换17

2.2.5 用拉氏变换分析系统19

2.3 控制系统的复域数学模型——传递函数20

2.3.1 传递函数的定义20

2.3.2 传递函数的性质22

2.3.3 无源网络和有源网络的传递函数建模22

2.4 典型环节及其传递函数22

2.4.1 比例环节23

2.4.2 惯性环节（非周期环节）24

2.4.3 积分环节24

2.4.4 振荡环节25

2.4.5 微分环节25

2.4.6 时间延迟环节（滞后环节）26

2.5 控制系统的结构图26

2.5.1 系统结构图的组成要素26

2.5.2 系统结构图的建立方法27

2.5.3 系统结构图的基本连接方式29

2.5.4 闭环控制系统常用的传递函数30

2.5.5 系统结构图的等效变换31

2.6 控制系统的信号流图34

2.6.1 信号流图中的术语介绍35

2.6.2 信号流图与结构图之间的等效关系35

2.6.3 梅森公式36

小结40

习题40

第3章 控制系统的时域分析43

3.1 典型输入信号及其拉氏变换43

3.1.1 阶跃信号43

3.1.2 斜坡信号44

3.1.3 抛物线信号44

3.1.4 脉冲信号44

3.1.5 正弦信号45

3.2 控制系统的时域性能指标45

3.2.1 动态性能指标45

3.2.2 稳态性能指标46

3.3 控制系统的稳定性46

3.3.1 稳定性的概念46

3.3.2 稳定的充分必要条件47

3.3.3 稳定性判据——劳斯判据48

3.3.4 劳斯表的特殊情况49

3.3.5 劳斯判据的应用50

3.4 控制系统的稳态误差51

3.4.1 误差及稳态误差51

3.4.2 系统的类型和开环增益52

3.4.3 稳态误差系数52

3.4.4 扰动信号作用下的稳态误差55

3.5 一阶系统的时域响应56

3.5.1 一阶系统的数学模型56

3.5.2 一阶系统的单位阶跃响应56

3.5.3 一阶系统的单位脉冲响应57

3.5.4 一阶系统的单位斜坡响应58

3.6 二阶系统的时域响应59

3.6.1 典型二阶系统的数学模型59

3.6.2 典型二阶系统的单位阶跃响应59

3.6.3 典型二阶系统的动态性能指标63

3.7 高阶系统的时域响应65

3.7.1 高阶系统时域响应的特点65

3.7.2 高阶系统的降阶66

小结67

习题67

第4章 根轨迹法70

4.1 闭环控制系统的根轨迹70

4.1.1 根轨迹的定义70

4.1.2 根轨迹方程71

4.1.3 根轨迹方程的应用72

4.2 绘制根轨迹的基本规则73

4.2.1 规则1 根轨迹的分支数、对称性和连续性73

4.2.2 规则2 根轨迹的起点和终点74

4.2.3 规则3 根轨迹的渐近线74

4.2.4 规则4 实轴上的轨迹段76

4.2.5 规则5 根轨迹的分离点和会合点76

4.2.6 规则6 根轨迹的起始角和终止角78

4.2.7 规则7 根轨迹与虚轴的交点79

4.2.8 规则8 根之和80

4.3 参数根轨迹81

4.4 根轨迹的应用82

4.4.1 开环零、极点对根轨迹的影响83

4.4.2 用根轨迹分析系统的性能85

小结87

习题87

第5章 控制系统的频域分析90

5.1 频率特性90

5.1.1 线性定常系统对正弦输入信号的正弦响应90

5.1.2 频率特性91

5.1.3 频率特性的图形表示方法92

5.2 典型环节的频率特性93

5.2.1 典型环节介绍93

5.2.2 最小相位环节的频率特性94

5.2.3 非最小相位环节的频率特性99

5.3 系统的开环频率特性99

5.3.1 系统的开环极坐标图（奈氏图）99

5.3.2 系统的开环对数频率特性图（伯德图）101

5.3.3 最小相位系统和非最小相位系统103

5.4 频域稳定判据104

5.4.1 幅角原理104

5.4.2 奈奎斯特稳定判据105

5.4.3 对数稳定判据108

5.5 系统动态性能的频域分析与频域指标109

5.6 系统的频域分析112

5.6.1 开环频率特性指标与时域指标的关系112

5.6.2 闭环频率特性指标与时域指标的关系113

5.6.3 对数频率特性图的三频段理论114

小结115

习题116

第6章 控制系统的校正与设计119

6.1 概述119

6.1.1 系统的常见性能指标119

6.1.2 校正方式120

6.1.3 常见系统校正方法121

6.2 基本控制规律——PID控制规律121

6.2.1 P（比例）控制规律121

6.2.2 PI（比例-积分）控制规律122

6.2.3 PD（比例-微分）控制规律123

6.2.4 PID（比例-积分-微分）控制规律124

6.2.5 PID控制电路126

6.3 常见校正装置及串联校正126

6.3.1 相位超前校正127

6.3.2 相位滞后校正132

6.3.3 相位滞后-超前校正136

6.3.4 有源校正网络139

6.4 局部反馈校正140

6.4.1 局部反馈校正的基本原理140

6.4.2 速度反馈141

6.5 复合校正142

6.5.1 按输入补偿的复合控制系统143

6.5.2 按扰动补偿的复合控制系统143

小结145

习题146

第7章 非线性系统分析148

7.1 非线性系统的概述148

7.1.1 非线性系统与线性系统的本质区别148

7.1.2 非线性系统的分析方法149

7.2 典型非线性特性150

7.3 相平面法152

7.3.1 相平面的基本概念152

7.3.2 相轨迹的特点153

7.3.3 线性系统的相轨迹153

7.3.4 非线性系统的奇点和奇线157

7.3.5 相轨迹的绘制方法158

7.3.6 非线性系统的相平面分析161

7.4 描述函数法165

7.4.1 描述函数的定义165

7.4.2 典型非线性特性的描述函数166

7.4.3 组合非线性特性的描述函数170

7.4.4 用描述函数法分析非线性系统171

7.5 利用非线性特性改善系统的性能175

小结176

习题177

第8章 离散系统分析180

8.1 离散系统的基本概念180

8.1.1 离散信号180

8.1.2 离散系统180

8.2 采样与恢复182

8.2.1 采样过程182

8.2.2 采样定理183

8.3 信号保持器185

8.3.1 零阶保持器时域特性185

8.3.2 零阶保持器的数学模型185

8.3.3 零阶保持器的物理实现186

8.4 z变换186

8.4.1 z变换的定义187

8.4.2 z变换的方法187

8.4.3 z变换的基本性质189

8.4.4 z反变换的求法191

8.5 脉冲传递函数193

8.5.1 脉冲传递函数的定义193

8.5.2 开环脉冲传递函数194

8.5.3 闭环控制系统的脉冲传递函数197

8.6 离散系统稳定性分析200

8.6.1 离散系统稳定的充要条件200

8.6.2 离散系统的稳定判据202

8.7 离散系统的稳态性能分析205

8.8 离散系统的动态性能分析207

小结209

习题210

附录1 拉氏变换及z变换表213

附录2 常见系统的根轨迹215

附录3 常用校正装置216

参考文献219