本书的主要内容包括自动控制系统的一般概念、连续时间线性和非线性系统输入/输出模型、连续时间系统的稳定性分析、连续时间系统的性能分析、常规控制器的设计方法以及离散系统的基本理论。为便于读者尽快掌握自动控制“从思路到代码”的实现过程，书中还给出了基于MATLAB的自动控制理论应用实践。
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目录
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前言
第1章 导论 1
1.1 自动控制理论简史 1
1.1.1 蒸汽机离心调速器 1
1.1.2 稳定性分析的特征多项式系数法 2
1.1.3 反馈放大器环路分析与设计理论 2
1.1.4 经典控制理论的建立及发展 4
1.1.5 现代控制理论的建立及发展 5
1.1.6 自动控制理论发展的启示 6
1.2 自动控制的基本概念 7
1.2.1 自动控制问题 7
1.2.2 自动控制的基本结构 8
1.2.3 稳定性的概念 11
1.2.4 反馈控制的特性 13
1.3 反馈控制基本原理 16
1.3.1 线性时不变系统稳定性 16
1.3.2 反馈减小不确定性 18
1.3.3 等效扰动模型 20
1.3.4 反馈改变行为特性 21
1.4 自动控制系统性能与分类 23
1.4.1 自动控制系统性能指标要求 23
1.4.2 自动控制系统的分类 24
1.5 自动控制理论的重要概念 24
1.6 学习自动控制理论的重要性 25
1.7 学习自动控制理论应注意的几个关系 26
习题1 27
第2章 反馈控制系统的动态模型 28
2.1 引言 28
2.2 连续时间系统的机理建模 28
2.2.1 线性时不变系统微分方程模型的列写 28
2.2.2 非线性系统的局部线性化模型 32
2.3 输入/输出描述 40
2.3.1 典型输入信号 40
2.3.2 信号传输及系统响应建模 42
2.3.3 传递函数 44
2.3.4 典型环节 46
2.3.5 极点、零点和增益 46
2.4 系统互联 48
2.4.1 系统结构图与模块化 48
2.4.2 系统互联结构 49
2.5 信号流图及直接计算传递函数的Mason公式 53
2.5.1 信号流图 54
2.5.2 Mason公式 55
2.6 闭环系统的特性函数 58
2.6.1 闭环系统传递函数 59
2.6.2 灵敏度函数 60
2.7 反馈控制系统的开环特性模型 62
2.7.1 断开反馈作用关系的开环系统 62
2.7.2 典型环节表征的开环传递函数两个标准式 62
2.7.3 Euler恒等式与开环传递函数表示的特征方程式 66
2.7.4 反馈控制系统临界稳定的开环幅相特性 66
2.8 频率特性函数 67
2.8.1 频率响应 67
2.8.2 Fourier变换和广义频率特性 69
2.8.3 由零点、极点位置和暂态增益作图计算开环频率特性 70
2.8.4 开环频率特性幅相曲线 72
2.8.5 相位穿越频率与增益穿越频率 80
2.8.6 开环对数频率特性 81
2.8.7 Bode幅相特性关系式及对数幅频特性折线图 90
2.8.8 灵敏度函数的频域计算方法 99
2.9 本质非线性环节的谐波线性化模型 101
2.9.1 典型的本质非线性环节 101
2.9.2 非线性控制系统的特殊性 104
2.9.3 描述函数模型 105
2.9.4 典型非线性特性的描述函数 107
2.9.5 非线性特性的合并 111
习题2 112
第3章 系统稳定性分析 116
3.1 输入—输出稳定 116
3.2 Routh-Hurwitz判据 117
3.3 系统稳定性的环路分析 122
3.3.1 环路分析 122
3.3.2 相对稳定性与稳定裕度 124
3.4 Nyquist稳定性理论 126
3.4.1 幅角原理 127
3.4.2 Nyquist稳定判据 128
3.4.3 Nyquist稳定判据的应用 132
3.4.4 模型摄动的稳定鲁棒性 134
3.5 非线性控制系统稳定性及自振分析 136
3.6 基于Bode图的稳定性分析 142
3.6.1 对数稳定判据 142
3.6.2 稳定裕度的计算 143
习题3 150
第4章 连续时间系统的性能分析 156
4.1 控制系统的性能指标 156
4.1.1 暂态性能 156
4.1.2 稳态性能 158
4.2 典型一阶系统的时域分析 158
4.2.1 单位阶跃响应 158
4.2.2 单位斜坡响应 159
4.2.3 单位加速度响应 159
4.3 典型二阶系统的时域分析 160
4.3.1 二阶系统的数学模型 160
4.3.2 暂态性能与阻尼系数及自然振荡角频率的关系 161
4.3.3 时域响应 163
4.3.4 单位斜坡响应 167
4.3.5 改善二阶系统暂态性能的微分校正控制 167
4.4 高阶系统分析 170
4.4.1 高阶系统单位阶跃响应 170
4.4.2 闭环主导极点 171
4.5 线性系统的稳态性能 172
4.5.1 基本概念 172
4.5.2 系统类型与稳态误差的关系 174
4.5.3 积分控制与典型输入的系统稳态误差 174
4.5.4 扰动稳态误差 175
4.6 相平面分析 177
4.6.1 相平面的基本概念 177
4.6.2 绘制相平面图的等倾线法 180
4.6.3 二阶线性系统的奇点和相轨迹 181
4.6.4 分段线性化系统的相平面分析 183
4.7 利用开环频率特性分析闭环系统的性能 188
4.7.1 二阶系统开环频域指标 188
4.7.2 二阶系统的闭环频域指标 190
4.7.3 开环频率特性低频段与稳态误差的关系 192
4.7.4 开环频率特性中频段与动态性能的关系 192
4.7.5 开环频率特性高频段对鲁棒性能的影响 193
4.7.6 增加零点、极点和改变开环增益对控制性能的影响 194
4.7.7 闭环系统灵敏度函数几个特征量 194
4.7.8 闭环频域指标 195
4.8 根轨迹分析法 197
4.8.1 基本概念 197
4.8.2 根轨迹的幅值条件及幅角条件 198
4.8.3 根轨迹的作图规则 199
4.8.4 参数根轨迹 207
4.8.5 增加零/极点对根轨迹的影响 209
4.8.6 非最小相位系统的根轨迹 211
习题4 213
第5章 控制系统校正与综合 218
5.1 引言 218
5.1.1 校正方式 218
5.1.2 校正目标 219
5.1.3 校正思路 219
5.1.4 性能指标 220
5.2 环路整形 220
5.2.1 典型开环频率特性的期望形状 221
5.2.2 最小相位系统的中频特性 224
5.3 串联校正的频率法 225
5.3.1 超前/PD校正 227
5.3.2 滞后/PI校正 237
5.3.3 超前滞后/PID校正 246
5.3.4 频率法校正设计的时频分析 260
5.4 串联校正的根轨迹法 261
5.4.1 超前校正 261
5.4.2 滞后校正 263
5.4.3 超前滞后校正 264
5.4.4 PID校正 266
5.4.5 根轨迹校正法举例 267
5.4.6 根轨迹法校正设计的时频分析 273
5.4.7 非最小相位系统的校正 274
5.5 PID校正控制器再解释及参数选取 276
5.5.1 PID控制系统的时频特性 276
5.5.2 PID校正控制器参数的选取 283
5.5.3 PID校正控制器的内在特征 285
5.5.4 PID校正控制器参数整定 286
5.5.5 几种变型的PID校正控制器 287
5.5.6 继电负反馈自动整定PID校正控制器参数 289
5.6 复合校正控制设计 289
5.6.1 独立改变闭环系统零/极点 289
5.6.2 系统的复合校正分析 290
5.6.3 二自由度控制器的鲁棒设计 295
5.7 局部反馈校正 308
5.7.1 反馈校正结构与原理 308
5.7.2 局部反馈校正频率特性近似 308
5.7.3 反馈校正的基本作用 309
5.7.4 反馈校正的方法 312
5.8 非最小相位控制系统的性能约束 313
5.8.1 穿越频率不等式 314
5.8.2 Bode灵敏度积分公式 316
5.9 极点配置综合法 317
5.10 非线性系统特性改善及利用 325
习题5 326
第6章 离散系统的基本理论 328
6.1 离散系统概念与例子 328
6.1.1 信号及其离散化 328
6.1.2 离散系统基本概念 328
6.2 信号的采样与保持 332
6.2.1 采样过程及其分析 332
6.2.2 保持过程及其分析 338
6.2.3 理想情况与实际情况分析的一致性 339
6.3 线性时不变离散系统的数学描述与求解 340
6.3.1 差分 340
6.3.2 差分方程 341
6.3.3 差分方程的解法 342
6.3.4 脉冲响应与线性卷积 343
6.3.5 脉冲传递函数(z传递函数) 344
6.4 线性时不变离散系统时域分析 347
6.4.1 s平面与z平面的映射关系 347
6.4.2 线性时不变离散系统时域分析 348
6.5 线性时不变离散系统频域分析 356
6.5.1 频率响应及求取 356
6.5.2 频率特性的极坐标表示 357
6.5.3 频率特性的性质 357
6.6 离散系统的数字校正 358
6.6.1 数字控制器的脉冲传递函数 358
6.6.2 连续域—离散化设计 358
6.6.3 离散PID校正控制器及其变形 365
6.6.4 具有Smith纯滞后补偿的PID校正控制器 371
6.6.5 解析设计法 373
6.6.6 Dahlin算法及其振铃现象 381
习题6 385
第7章 控制系统分析与综合实践 388
7.1 被控对象简介 388
7.2 被控对象模型及特性分析 389
7.2.1 被控对象模型 389
7.2.2 被控对象模型特性分析 390
7.3 闭环控制系统的时域分析 393
7.3.1 基于调速模型讨论闭环控制与开环控制优劣 393
7.3.2 基于位置模型讨论PID闭环控制 396
7.4 闭环控制系统的频域分析 411
7.5 位置与速度控制系统综合 414
7.5.1 位置控制系统的根轨迹综合 414
7.5.2 位置控制系统的频域综合 424
7.6 离散控制系统分析 436
7.7 离散控制系统综合 439
7.7.1 利用连续域离散化方法综合控制系统 439
7.7.2 利用最小拍设计方法综合控制系统 442
7.8 带非线性反馈的控制系统综合 449
7.8.1 非线性速度反馈校正改善动态品质 449
7.8.2 前向通道加入非线性环节改善动态品质 451
7.8.3 用非线性切换方式改善滞后校正 453
参考文献 456
附录 457
A1 Laplace变换理论 457
A1.1 Laplace变换定义 457
A1.2 Laplace变换的基本定理 459
A1.3 Laplace反变换的求取方法 460
A2 z变换理论 461
A2.1 z变换定义 462
A2.2 z变换的基本性质 463
A2.3 z变换的求法 464
A2.4 z反变换的求取方法 466
A3 MATLAB控制系统工具箱中的常用函数指令 468
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