第1章 绪论 1
1.1 控制系统的基本组成部分 1
1.2 控制系统应用举例 2
1.2.1 智能交通系统 2
1.2.2 汽车转向控制 3
1.2.3 汽车怠速控制 3
1.2.4 太阳能收集器的太阳跟踪控制 3
1.3 开环控制系统（无反馈系统） 5
1.4 闭环控制系统（反馈控制系统） 5
1.5 反馈的含义及其作用 6
1.5.1 反馈对于总增益的影响 6
1.5.2 反馈对于稳定性的影响 6
1.5.3 反馈对于外部干扰或噪声的作用 7
1.6 反馈控制系统的类型 8
1.7 线性系统与非线性系统 9
1.8 时不变与时变系统 9
1.9 连续控制系统 10
1.10 离散控制系统 10
1.11 案例研究:基于LEGO MINDSTORMS的智能车辆避障 11
1.12 小结 17
第2章 动态系统的建模 18
2.1 简单机械系统的建模 18
2.1.1 平移运动 19
2.1.2 旋转运动 22
2.1.3 平移和旋转运动之间的转换 26
2.1.4 齿轮系 28
2.1.5 齿隙和死区（非线性特性） 29
2.2 简单电气系统的建模 30
2.2.1 无源电气元件建模 30
2.2.2 电气网络建模 30
2.3 简单热系统和简单流体系统的建模 34
2.3.1 热系统的基本属性 34
2.3.2 流体系统的基本属性 36
2.4 非线性系统的线性化 44
2.5 类比 44
2.6 案例研究:LEGO MINDSTORMS NXT电动机——机械建模 46
2.7 小结 46
第3章 动态系统的微分方程求解 58
3.1 微分方程介绍 58
3.1.1 线性常微分方程 58
3.1.2 非线性微分方程 59
3.2 拉普拉斯变换 60
3.2.1 拉普拉斯变换的定义 60
3.2.2 拉普拉斯变换的重要定理 61
3.2.3 传递函数 61
3.2.4 特征方程 61
3.2.5 解析函数 61
3.2.6 函数的极点 62
3.2.7 函数的零点 63
3.2.8 共轭复极点和零点 64
3.2.9 终值定理 65
3.3 部分分式展开的拉普拉斯逆变换 65
3.4 拉普拉斯变换在线性常微分方程求解中的应用 71
3.4.1 一阶系统 71
3.4.2 二阶系统 73
3.4.3 二阶系统——进一步讨论 80
3.5 线性系统的脉冲响应和传递函数 83
3.5.1 脉冲响应 83
3.5.2 基于脉冲响应的时间响应 84
3.5.3 传递函数（单输入单输出系统） 85
3.6 系统的一阶微分方程:状态方程 88
3.6.1 状态变量的定义 88
3.6.2 输出方程 89
3.7 线性齐次状态方程的解 93
3.7.1 传递函数（多变量系统） 93
3.7.2 由状态方程到特征方程 95
3.7.3 由传递函数到状态方程 96
3.8MATLAB 案例研究 99
3.9 线性化回顾:状态空间方法 104
3.10 小结 108
第4章 控制框图和信号流图 119
4.1 控制框图 119
4.1.1 控制系统中典型元件的控制框图建模 119
4.1.2 数学方程和控制框图的关系 123
4.1.3 控制框图简化 126
4.1.4 多输入系统的控制框图:特殊情况——扰动系统 128
4.1.5 多变量系统的控制框图与传递函数 129
4.2 信号流图 132
4.2.1 信号流图代数 132
4.2.2 信号流图术语的定义 133
4.2.3 信号流图的增益公式 135
4.2.4 在输出节点与非输入节点间增益公式的应用 139
4.2.5 简化增益公式 140
4.3 状态图 141
4.3.1 由微分方程到状态图 141
4.3.2 由状态图到传递函数 143
4.3.3 由状态图到状态和输出方程 143
4.4 案例研究 145
4.5MATLAB 工具箱 155
4.6 小结 158
第5章 线性控制系统的稳定性 168
5.1 稳定性介绍 168
5.2 稳定性判定方法 171
5.3R outh Hurwitz判据 172
5.3.1R outh表格 172
5.3.2R outh表格提前终止时的特殊情形 173
5.4MATLAB 工具和案例分析 176
5.5 小结 182
第6章 反馈控制系统的重要组成 186
6.1 有源电气元件的建模:运算放大器 188
6.1.1 理想运算放大器 188
6.1.2 和与差 188
6.1.3 一阶运算放大器的配置 188
6.2 控制系统中的传感器和编码器 191
6.2.1 电位计 191
6.2.2 转速计 194
6.2.3 增量编码器 195
6.3 控制系统中的直流电动机 197
6.3.1 直流电动机的基本操作原理 198
6.3.2 永磁直流电动机的基本分类 198
6.3.3 永磁直流电动机的数学模型 200
6.4 直流电动机的速度控制及位置控制 203
6.4.1 速度响应、自感效应和扰动:开环响应 203
6.4.2 直流电动机的速度控制:闭环响应 206
6.4.3 位置控制 207
6.5 案例研究 208
6.5.1 案例1:太阳观测系统 208
6.5.2 案例2:四分之一车辆悬挂系统 210
6.6 虚拟实验室:LEGO MINDSTORMS NXT电动机入门——建模和表征 213
6.6.1NXT 电动机 213
6.6.2 电气特性 213
6.6.3 机械特性 214
6.6.4 速度响应和模型验证 220
6.7 小结 221
第7章 控制系统的时域分析 234
7.1 连续时间系统的时间响应 231
7.2 评价控制系统时间响应性能的典型测试信号 235
7.3 单位阶跃响应和时域描述 266
7.4 一阶系统的时间响应 237
7.5 二阶系统的暂态响应 240
7.5.1 阻尼比和自然频率 240
7.5.2 最大超调(0<ζ<1) 244
7.5.3 延迟时间和上升时间(0<ζ<1) 245
7.5.4 调节时间(5%和2%) 247
7.5.5 暂态响应性能指标总结 249
7.6 稳态误差 253
7.6.1 稳态误差的定义 253
7.6.2 有干扰情况下的系统稳态误差 259
7.6.3 控制系统的类型:单位反馈系统 261
7.6.4 误差常数 261
7.6.5 非线性系统元件产生的稳态误差 265
7.7 基础控制系统以及传递函数增加零极点带来的影响 267
7.7.1 在前向通道传递函数中增加一个极点:单位反馈系统 267
7.7.2 在闭环传递函数中增加一个极点 269
7.7.3 在闭环传递函数中增加一个零点 270
7.7.4 在前向通道传递函数中增加一个零点:单位反馈系统 271
7.7.5 增加零极点:时域响应控制 272
7.8 传递函数的主导零极点 277
7.8.1 零极点影响的总结 278
7.8.2 相对阻尼比 279
7.8.3 稳态响应考虑下的次要极点忽略方法 279
7.9 案例研究:定位控制系统的时域分析 279
7.9.1 二阶系统:单位阶跃暂态响应 281
7.9.2 二阶系统:单位阶跃稳态响应 284
7.9.3 三阶系统的时间响应——电气时间常数不能忽略 284
7.9.4 三阶系统:单位阶跃暂态响应 284
7.9.5 三阶系统:单位阶跃稳态响应 287
7.10 控制实验室:LEGO MINDSTORMS NXT电动机介绍——位置控制 287
7.11 小结 291
第8章 状态空间分析与控制器设计 305
8.1 状态变量分析 305
8.2 控制框图、传递函数和状态控制框图 305
8.2.1 传递函数（多变量系统） 305
8.2.2 多变量系统的控制框图和传递函数 306
8.3 一阶微分系统的状态方程 308
8.3.1 状态变量的定义 308
8.3.2 输出方程 309
8.4 状态方程的向量 矩阵表示 310
8.5 状态转移矩阵 313
8.5.1 状态转移矩阵的意义 313
8.5.2 状态转移矩阵的性质 313
8.6 状态转移方程 314
8.7 状态方程与高阶微分方程之间的关系 318
8.8 状态方程与传递函数之间的关系 319
8.9 特征方程、特征值和特征向量 322
8.9.1 由微分方程求特征方程 322
8.9.2 由传递函数求特征方程 322
8.9.3 由状态方程求特征方程 323
8.9.4 特征值 323
8.9.5 特征向量 323
8.9.6 广义特征向量 324
8.10 相似变换 325
8.10.1 相似变换的不变特性 326
8.10.2 相似变换前后的特征方程、特征值和特征向量 326
8.10.3 传递函数矩阵 326
8.10.4 能控标准型 326
8.10.5 能观标准型 328
8.10.6 对角标准型 329
8.10.7J ordan标准型 330
8.11 传递函数分解 331
8.11.1 直接分解 331
8.11.2 串级分解 335
8.11.3 并行分解 336
8.12 控制系统的能控性 337
8.12.1 能控性的概念 338
8.12.2 状态能控性的定义 338
8.12.3 能控性的其他检验方法 339
8.13 线性系统的能观性 341
8.13.1 能观性的定义 341
8.13.2 能观性的其他检验方法 342
8.14 能控性、能观性和传递函数之间的关系 342
8.15 能控性和能观性的不变性定理 344
8.16 案例研究:磁球悬浮系统 345
8.17 状态反馈控制 348
8.18 通过状态反馈进行极点配置 349
8.19 带有积分控制的状态反馈 353
8.20MATLAB 工具箱和案例学习 359
8.20.1 状态空间分析工具箱的使用和说明 359
8.20.2 tfsym在状态空间应用中的使用和说明 361
8.21 案例研究:LEGO MINDSTORMS机器臂系统的位置控制 361
8.22 小结 366
第9章 根轨迹法 386
9.1 根轨迹的基本性质 387
9.2 根轨迹的性质详解 389
9.2.1K = 0和K = ±∞的点 389
9.2.2RL 的分支数 390
9.2.3RL 的对称性 390
9.2.4RL 的渐近线交角:|s| = ∞处RL的行为 391
9.2.5 渐近线的交点(质心) 392
9.2.6 实轴上的RL 395
9.2.7RL 的出射角和入射角 395
9.2.8RL 与虚轴的交点 398
9.2.9RL 的分离点(鞍点) 398
9.2.10RL 在分离点处的入射角和出射角 399
9.2.11RL 上K值的计算 400
9.2.12 小结 402
9.3 根灵敏度 406
9.4 根轨迹设计 410
9.4.1 在G(s)H(s)中增加零极点的影响 410
9.4.2 在G(s)H(s)中增加极点 410
9.4.3 在G(s)H(s)中增加零点 412
9.5 根轨迹族:多参数变化情形 415
9.6MATLAB 工具箱 421
9.7 小结 422
第10章 频域分析 430
10.1 引言 430
10.2 二阶系统的谐振峰值、谐振频率和带宽 439
10.2.1 谐振峰值和谐振频率 439
10.2.2 带宽 444
10.3 前向通道传递函数增加极点和零点的影响 442
10.3.1 前向通道传递函数增加零点的影响 443
10.3.2 前向通道传递函数增加极点的影响 444
10.4N yquist稳定性判据:基本原理 449
10.4.1 稳定性问题 449
10.4.2 环绕和闭合的定义 450
10.4.3 环绕和闭合的次数 451
10.4.4 幅角原理 451
10.4.5 Nyquist曲线 452
10.4.6 Nyquist判据以及L(s)或G(s)H(s)图 455
10.5 具有最小相位传递函数的系统的Nyquist判据 456
10.6 根轨迹和Nyquist图的关系 458
10.7 示例:最小相位传递函数的Nyquist判据 460
10.8 增加L(s)的极点和零点对Nyquist图的形状的影响 464
10.8.1 在s = 0处加入极点 464
10.8.2 增加有限个非零极点 466
10.8.3 增加零点 466
10.9 相对稳定性:增益裕量和相位裕量 469
10.9.1 增益裕量 469
10.9.2 非最小相位系统的增益裕量 470
10.9.3 相位裕量 474
10.10 用Bode图进行稳定性分析 477
10.11 相对稳定性与Bode图的幅值曲线的斜率之间的关系 478
10.12 用幅值 相位图进行稳定性分析 479
10.13 幅值 相位图中的定常M曲线:Nichols图 479
10.14 Nichols图应用于非单位反馈系统 484
10.15 频域中的灵敏度研究 485
10.16 MATLAB工具和案例研究 486
10.17 小结 487
第11章 控制系统设计 499
11.1 引言 499
11.1.1 设计要求 499
11.1.2 控制器结构 500
11.1.3 设计的基本原则 502
11.2 PD控制器的设计 504
11.2.1 PD控制的时域分析 504
11.2.2 PD控制的频域分析 506
11.2.3 PD控制的作用总结 506
11.3 PI控制器的设计 523
11.3.1 PI控制的时域分析与设计 523
11.3.2 PI控制的频域分析与设计 523
11.4 PID控制器的设计 534
11.5 相位超前和相位滞后控制器的设计 539
11.5.1 相位超前控制器的时域分析和设计 539
11.5.2 相位超前控制器的频域分析和设计 540
11.5.3 相位超前控制的作用 555
11.5.4 单阶相位超前控制的局限性 556
11.5.5 多阶相位超前控制器 557
11.5.6 灵敏度考虑 560
11.5.7 相位滞后控制的时域解释和设计 561
11.5.8 相位滞后控制的频域解释和设计 562
11.5.9 相位滞后控制器的作用和局限性 570
11.5.10 超前 滞后控制器的设计 571
11.6 零极点对消设计:陷波滤波器 574
11.6.1 二阶有源滤波器 574
11.6.2 频域解释和设计 575
11.7 前向和前馈控制器 582
11.8 鲁棒控制系统的设计 584
11.9 局部反馈控制 592
11.9.1 速度反馈或转速计反馈控制 592
11.9.2 含有源滤波器的局部反馈控制 593
11.10 MATLAB工具和案例研究 595
11.11 控制实验室 604
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