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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应用MATLAB求系统的时域响应159

3.5.2应用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绘制伯德图示例168

3.5.5应用MATLAB绘制奈奎斯特图示例173

3.5.6应用MATLAB绘制尼柯尔斯图示例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jw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设计控制系统复杂工程问题的解决方案229

4.7.1控制系统关联性原理概述229

4.7.2控制系统关联性数学分析230

4.7.3控制系统关联性分析举例231

4.8小结233

习题234

第5章 闭环控制系统的误差分析237

5.1引言237

5.2控制系统的稳态误差237

5.2.1稳态误差和误差传递函数237

5.2.2控制系统的结构类型239

5.2.3给定输入下（随动系统）的稳态误差239

5.2.4扰动输入下（定值系统）的稳态误差241

5.3稳态误差与对数幅频特性曲线的关系244

5.3.1稳态位置误差系数的确定244

5.3.2稳态速度误差系数的确定244

5.3.3稳态加速度误差系数的确定245

5.3.4减小稳态误差的若干措施245

5.4控制系统的复杂工程问题进行预测与模拟247

5.4.1基于偏差的自动控制系统构成247

5.4.2参数优化（搜索）中存在的问题247

5.4.3并行搜索的基本思想248

5.4.4基于矩阵的多个单纯形并行搜索249

5.4.5应用举例249

5.5小结251

习题252

第6章 闭环控制系统的综合校正253

6.1引言253

6.2控制系统的根轨迹校正方法253

6.2.1基于根轨迹的超前校正255

6.2.2基于根轨迹的滞后校正258

6.3控制系统的频率特性校正方法261

6.3.1基于伯德图的超前校正262

6.3.2基于伯德图的滞后校正265

6.4PID控制器特性分析及应用269

6.4.1PID控制规律269

6.4.2PID控制器参数对控制过程的影响273

6.4.3PID控制器参数对系统根轨迹的影响276

6.4.4PID控制器参数对系统频率特性稳定裕量的影响282

6.5基于典型的控制规律研究控制系统中的复杂工程问题287

6.5.1基于改进BP算法的控制系统设计287

6.5.2基于人工神经网络的智能控制系统仿真研究289

6.6小结293

习题294

第7章 控制系统的状态空间分析与设计296

7.1引言296

7.2控制系统的状态空间描述297

7.2.1状态空间描述的基本概念297

7.2.2状态空间表达式的建立303

7.2.3状态空间的线性变换与规范化320

7.3线性定常连续系统状态方程的解法327

7.4线性系统的能控性和能观性335

7.4.1能控性和能观性概念的提出336

7.4.2线性定常连续系统能控性定义及其判据337

7.4.3线性定常连续系统能观性定义及其判据344

7.4.4能控性与能观性的对偶关系350

7.4.5能控性和能观性与传递函数（矩阵）的关系352

7.5控制系统的状态空间设计353

7.5.1状态反馈与极点配置354

7.5.2状态重构与状态观测器363

7.6MATLAB在状态空间法中的应用369

7.6.1状态空间模型建立与转换369

7.6.2能控性与能观性的判定370

7.6.3状态反馈系统极点配置371

7.7分析控制系统中的复杂工程问题及设计解决方案372

7.7.1电控液压举升系统的构成372

7.7.2电控液压举升控制系统的数学模型372

7.7.3液压举升系统可控性与可观性分析373

7.7.4自卸车液压举升系统PID控制仿真375

7.8小结377

习题378

附录A383

A.1拉氏变换383

A.1.1拉氏变换的定义383

A.1.2基本函数的拉氏变换384

A.1.3拉氏变换的主要运算定理386

A.2拉氏变换求解线性常微分方程388

A.2.1拉氏反变换388

A.2.2拉氏变换的应用举例388

A.3海维塞德部分分式展开法391

参考文献397