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第1章 绪论1

1．1 控制系统的基本概念1

1．1．1 开环控制系统1

1．1．2 闭环控制系统2

1．2 控制系统的工程应用4

1．2．1 温度控制系统4

1．2．2 硬磁盘中的磁头位置控制系统5

1．2．3 火电厂电能生产综合控制系统5

1．3 控制理论发展的简要回顾6

1．4 控制系统的分析和设计7

习题一8

第2章 控制系统的数学模型10

2．1 线性动态系统10

2．2 传递函数与系统结构图11

2．2．1 传递函数11

2．2．2 传递函数结构图12

2．2．3 典型环节的传递函数15

2．2．4 结构图的变换16

2．2．5 闭环控制系统的基本结构18

2．3．1 信号流图20

2．3 信号流图及Mason公式20

2．3．2 Mason公式22

2．4 状态空间模型24

2．4．1 状态变量25

2．4．2 状态空间方程25

2．4．3 线性变换27

2．5 传递函数与状态方程的转换28

2．5．1 由状态空间方程到传递函数28

2．5．3 由传递函数到状态空间方程30

2．5．2 传递函数不变性30

2．6 状态图33

2．7 利用传递函数求解响应37

2．8状态方程求解39

习题二41

第3章 控制系统的时域分析47

3．1 系统的稳定性47

3．1．1 Liapunov稳定47

3．1．2 渐近稳定48

3．1．3 BIBO稳定49

3．2 Routh稳定判据51

3．2．1 稳定判据51

3．2．2 两种特例的处理53

3．2．3 Routh判据的应用55

3．3 稳态性能57

3．3．1 测试输入信号57

3．3．2 稳态误差的定义57

3．3．3 稳态误差计算58

3．3．4 干扰信号62

3．3．5 灵敏度分析64

3．4 动态响应65

3．4．1 动态性能指标65

3．4．2 1阶系统66

3．4．3 2阶系统67

3．4．4 高阶系统71

3．4．5 高阶系统的简化73

3．5 根轨迹法74

3．5．1 根轨迹的概念74

3．5．2 绘制根轨迹的条件75

3．5．3 根轨迹绘制的规则77

3．5．4 根轨迹的参数设计84

3．5．5 添加零-极点对根轨迹的影响85

习题三87

第4章 控制系统的频域分析92

4．1 系统的频率特性92

4．2 Nyquist稳定判据93

4．2．1 Cauchy幅角原理93

4．2．2 Nyquist围线和Nyquist图95

4．2．4 绘制Nyquist图和应用稳定判据的示例97

4．2．3 Nyquist稳定判据97

4．2．5 S右半平面的映射域与稳定性105

4．3 对数频率特性法107

4．3．1 典型环节的Bode图108

4．3．2 系统Bode图的合成112

4．3．3 对数幅频特性渐近线分段作图法114

4．3．4 相频特性草图分段作图法115

4．3．5 最小相位系统117

4．4 稳定裕量118

4．4．1 幅值裕量和相角裕量118

4．4．2 稳定裕量与稳定性119

4．4．3 幅值裕量和相角裕量计算示例120

4．4．4 最小相位系统的幅频特性123

4．5 闭环频率特性和带宽126

习题四127

第5章 反馈控制系统设计131

5．1 系统设计方法131

5．1．1 性能指标131

5．2．1 PID校正132

5．2 串联校正网络132

5．1．2 校正装置132

5．2．2 超前校正134

5．2．3 滞后校正136

5．2．4 滞后-超前校正137

5．3 用根轨迹法设计校正网络138

5．3．1 时域性能和期望极点138

5．3．2 串联超前校正139

5．3．3 串联滞后校正142

5．4．1 频域指标和期望频率特性145

5．4 用对数频率特性法设计校正网络145

5．4．2 串联超前校正146

5．4．3 串联滞后校正149

5．4．4 串联滞后超前校正151

习题五153

第6章 状态变量反馈控制系统156

6．1 能控性156

6．1．1 能控性的定义156

6．1．2 能控性判据157

6．1．3 线性变换不改变能控性158

6．1．4 能控标准型(SISO系统)160

6．2 能观性161

6．2．1 能观性的定义161

6．2．2 能观性判据161

6．3 能控性能观性与传递函数的零-极点对消164

6．4 系统的能控性和能观性分解166

6．5 状态反馈与极点配置169

6．6 状态观测器176

6．7 带观测器的状态反馈控制系统179

习题六182

7．1 信号采样和保持185

第7章 数字控制系统185

7．1．1 采样器186

7．1．2 零阶保持器186

7．2 Z变换188

7．2．1 Z变换定义188

7．2．2 Z变换的性质190

7．2．3 Z反变换191

7．3．1 差分方程193

7．3 离散控制系统数学模型193

7．3．2 脉冲传递函数194

7．3．3 离散状态空间方程195

7．3．4 连续系统传递函数的离散化197

7．3．5 连续状态空间方程的离散化201

7．4 离散控制系统性能分析202

7．4．1 离散控制系统的稳定性202

7．4．2 离散控制系统的稳态误差204

7．4．3 离散系统动态响应205

7．5 数字控制器的设计208

7．5．1 模拟化设计方法208

7．4．4 离散状态空间模型的能控性与能观性208

7．5．2 数字化设计方法212

7．5．3 状态反馈极点配置设计法215

习题七216

附录A MATLAB及控制系统工具箱简介219

A．1 简介219

A．2 数学模型的输入方法220

A．2．1 状态方程220

A．2．2 传递函数220

A．2．3 系统的表示221

A．3．1 经典控制论的几个基本分析函数222

A．2．4 由开环传递函数求闭环传递函数222

A．3 控制系统分析用函数222

A．3．2 系统分析和仿真的试题223

A．4 SISO系统设计工具226

附录B 能控性和能观性证明231

B．1 能控性判据231

B．2 能控标准型233

B．3 能观性判据237

附录C Laplace变换对240

参考文献241