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目录1

前言1

第一章 绪论1

1-1 引言1

1-2 控制系统引论1

1-3 定义3

1-4 历史背景4

1-5 数学背景7

1-6 工程控制问题的一般性质8

1-7 本教材概况8

第二章 系统方程的建立11

2-1 引言11

2-2 电路和元件12

2-3 基础线性代数15

2-4 状态概念17

2-5 传递函数和方框图21

2-6 直线运动机械系统22

2-7 模拟电路26

2-8 旋转运动机械系统27

2-9 热力学系统30

2-10 液压线性执行机构32

2-11 正位移旋转液压传动35

2-12 液位系统37

2-13 旋转功率放大器38

2-14 直流伺服马达39

2-15 交流伺服马达41

2-16 拉格朗日方程式42

2-17 小结44

第三章 微分方程的解46

3-1 引言46

3-2 控制系统的输入46

3-3 稳态响应：正弦输入47

3-4 稳态响应：多项式输入48

3-5 瞬态响应：经典法49

3-6 时间常数的定义51

3-7 例：二阶机械系统52

3-8 例：二阶电系统53

3-9 二阶系统的瞬态响应54

3-10 时间常数的详细说明56

3-11 状态变量方程56

3-12 特征值57

3-13 状态转移矩阵的计算58

3-14 状态方程式的完全解60

3-15 状态方程的计算机求解61

3-16 小结62

4-1 引言64

4-2 拉氏变换的定义64

第四章 拉氏变换64

4-3 简单函数拉氏变换的推导65

4-4 拉氏变换理论66

4-5 拉氏变换在微分方程中的应用67

4-6 反变换68

4-7 赫维赛德部分分式展开定理69

4-8 求部分分式的捷径74

4-9 部分分式系数的图形解释75

4-10 由零极点图确定频率响应77

4-11 极点位置与稳定性79

4-12 脉冲函数的拉氏变换79

4-13 具有脉冲激励的二阶系统80

4-14 矩阵运算及矩阵特性的补充知识81

4-15 状态方程的解85

4-16 传递函数矩阵的计算86

4-17 小结87

5-1 引言89

5-2 方框图89

第五章 系统的描述89

5-3 总传递函数的确定91

5-4 标准的方框图术语93

5-5 位置控制系统94

5-6 仿真图97

5-7 信号流图99

5-8 状态转移信号流图102

5-9 由传递函数求并联状态图105

5-10 矩阵的对角化106

5-11 具有复数特征值的矩阵变换111

5-12 将矩阵变换成友型113

5-13 小结115

第六章 控制系统的特性117

6-1 引言117

6-2 劳斯稳定判据117

6-3 数学的和物理的形式121

6-4 反馈控制系统的类型122

6-5 系统类型的分析123

6-6 实例：“Ⅱ”型系统127

6-7 稳态误差系数128

6-8 稳态误差系数的应用131

6-9 小结132

第七章 根轨迹134

7-1 引言134

7-2 特征方程根轨迹的绘制134

7-3 根轨迹的定量分析136

7-4 作图步骤138

7-5 开环传递函数138

7-6 控制比C（s）/R（s）的极点139

7-7 幅值条件和相角条件的应用140

7-8 根轨迹图的几何性质（作图规则）143

7-9 例149

7-10 频率响应151

7-11 性能指标152

7-12 传递滞后155

7-13 综合156

7-14 负反馈系统根轨迹作图规则的总结157

7-15 小结158

第八章 频率响应159

8-1 引言159

8-2 正弦函数和时间响应的相互关系159

8-3 频率响应曲线160

8-4 波德图（对数频率特性）161

8-5 一般频率传递函数关系162

8-6 波德图的绘制162

8-7 绘制波德图的实例166

8-8 系统类型和增益与对数幅频特性的关系168

8-9 确定传递函数的实验方法169

8-10 极坐标图170

8-11 小结：极坐标图173

8-12 逆极坐标图174

8-13 奈魁斯特稳定判据176

8-14 使用极坐标图的奈氏判据应用例子180

8-15 用于具有时间滞后系统的奈氏稳定判据182

8-16 逆极坐标图的奈氏稳定判据的应用183

8-17 逆极坐标图的奈氏判据的实例184

8-18 相角裕量，增益裕量的定义及其与稳定性的关系184

8-19 对数幅相特性的稳定特性186

8-20 根据尼柯尔斯图（对数幅-相角）确定系统的稳定性186

8-21 小结188

第九章 基于频率响应的闭环特性190

9-1 引言190

9-2 直接极坐标图190

9-3 简单二阶系统的Mm和ωm的确定191

9-4 正弦响应和时间响应的相互关系193

9-5 在复数平面C（jω）/R（jω）的M（ω）和α（ω）圆（直接图）193

9-6 逆坐标图中的圆198

9-7 单位反馈系统对期望Mm值的增益整定：一般极坐标图200

9-8 对于单位反馈系统为了获得期望的Mm的增益整定：逆极坐标图201

9-9 对数幅-相图上的等M和等α曲线（尼氏图）203

9-10 利用对数幅-相图进行增益调节204

9-11 零极点图与频域和时域响应的相互关系205

9-12 小结207

第十章 根轨迹补偿（校正）209

10-1 引言209

10-2 瞬态响应：主导复数极点210

10-3 附加的有效极点213

10-4 根轨迹补偿215

10-5 理想的积分串联补偿215

10-6 利用无源元件组成的串联滞后补偿216

10-7 理想的微分串联补偿219

10-8 无源元件的超前补偿220

10-10 滞后-超前串联补偿223

10-9 一般超前补偿装置的设计223

10-11 各种串联补偿的比较225

10-12 反馈补偿引论226

10-13 反馈补偿设计步骤227

10-14 简单的速度反馈补偿228

10-15 速度反馈229

10-16 输出二阶微分反馈232

10-17 反馈补偿的结果233

10-18 速度反馈主导复数极点的性能指标233

10-19 小结234

第十一章 串联补偿和反馈补偿：频率响应图236

11-1 引言236

11-2 串联补偿装置的选择237

11-3 串联滞后补偿装置239

11-4 例：串联滞后补偿240

11-5 超前补偿装置242

11-6 例：串联超前补偿244

11-7 滞后-超前补偿245

11-8 例：串联滞后-超前补偿247

11-9 利用对数图的反馈补偿248

11-10 例：反馈补偿（对数图）250

11-11 小结252

第十二章 闭环零极点的配置（状态变量反馈）254

12-1 引言254

12-2 建立期望控制比254

12-3 吉赖米恩-杜爱克斯尔设计过程256

12-4 状态变量反馈257

12-5 状态反馈的一般特性（利用相变量）260

12-6 状态变量反馈的稳态误差分析261

12-7 稳态误差系数的利用263

12-8 无差系统的定义266

12-9 可控性与可观测性267

12-10 状态变量反馈：全极点系统271

12-11 系统的复数极点273

12-12 状态变量反馈：零极点系统273

12-13 小结278

第十三章 参数灵敏度及不可达状态280

13-1 引言280

13-2 灵敏度280

13-3 灵敏度分析282

13-4 参数灵敏度的例子286

13-5 不可达状态286

13-6 观测性288

13-7 含有观测器的控制系统290

13-8 小结292

第十四章 李亚普洛夫第二方法293

14-1 引言293

14-2 状态空间轨迹293

14-3 线性化〔雅可比（Jacobian）矩阵〕299

14-4 二次型302

14-5 稳定性306

14-6 李亚普洛夫第二方法308

14-7 李氏方法在线性系统中的应用311

14-8 瞬态调整时间的估算314

14-9 小结315

第十五章 现代控制论导论317

15-1 引言317

15-2 设定时间准则的推广318

15-3 控制面积准则319

15-4 附加性能指标319

15-5 零稳态阶跃误差系统321

15-6 现代控制的性能指标323

15-7 代数黎卡提（Riccati）方程326

15-8 例题329

15-9 最优状态变量反馈系统的波德图分析331

15-10 最优状态变量反馈系统的根方轨迹分析334

15-11 高前向增益（HFG）条件的确定336

15-12 小结338

第十六章 利用二次型性能指标的最优设计341

16-1 引言341

16-2 基本系统341

16-3 二次型性能指标341

16-4 稳定状态误差要求343

16-5 精确的相互关系（经典与现代）347

16-6 全极点系统与高阶系统的相互关系350

16-7 高阶系统的相互关系（零极点系统）354

16-8 相互关系结果的分析357

16-9 一般设计步骤358

16-10 控制加权的作用358

16-11 另一种设计方法359

16-12 16-11节的推广363

16-13 具有变参数的系统364

16-14 小结367

第十七章 线性多变量控制系统的结构特性369

17-1 引言369

17-2 利用控制范式设计单输入单输出系统的状态反馈369

17-3 标准化的控制规范型（GCCF）371

17-4 利用状态反馈的极点配置：MIMO系统375

17-5 本征结构在时间响应上的影响377

17-6 整个本征结构的配置379

17-7 观测器本征结构的确定379

17-8 小结380

第十八章 利用整个本征结构的配置对线性多变量调节器、观测器和跟踪器382

的综合382

18-1 引言382

18-2 调节器的整个本征结构配置的实例382

18-3 不可控系统387

18-4 跟踪系统388

18-5 跟踪系统设计的实例389

18-6 观测器综合的一个实例393

18-7 小结394

第十九章 数字控制系统397

19-1 引言397

19-2 采样397

19-3 z变换定理400

19-4 z域中的综合400

19-5 z的逆变换403

19-6 零阶保持器403

19-7 数字计算机的补偿404

19-8 小结405

附录A 拉普拉斯变换对表406

附录B TOTAL：可互换的数字和连续控制系统的分析和综合的计算机辅助设计程序409

附录C 指数输入函数414

习题416

部分习题答案458