第一章 绪论

1.1自动控制原理的概念

1.1.1控制

1.1.2自动控制

1.1.3自动控制原理

1.2自动控制系统

1.2.1开环控制系统

1.2.2闭环控制系统

1.2.3闭环控制系统的组成

1.2.4闭环控制系统中的信号

1.3对控制系统的基本要求

1.4课程的主要内容

第二章 控制系统的简单数学模型

2.1控制系统微分方程式的建立

2.1.1电气网络系统

2.1.2机械系统

2.1.3机电系统

2.2传递函数

2.2.1传递函数的定义

2.2.2关于传递函数的几点说明

2.2.3基本环节及其传递函数

2.3控制系统的方框图和传递函数

2.3.1方框图的概念和绘制

2.3.2方框图的变换规则

2.3.3控制系统方框图的化简及传递函数

2.4信号流图

2.4.1信号流图使用的术语

2.4.2控制系统的信号流图

2.4.3信号流图的梅森增益公式

2.5 MATLAB用于处理系统数学模型

2.5.1拉氏变换与拉氏反变换

2.5.2多项式运算

2.5.3微分方程求解

2.5.4传递函数及形式转换的建立

2.5.5部分分式展开

2.5.6串联、并联与反馈结构的化简

2.6非线性特性的线性化

2.7本章小结

习题与思考题

第三章 控制系统的时域分析与综合

3.1引言

3.2典型输入信号

3.3一阶系统的时域分析

3.3.1一阶系统的数学模型

3.3.2一阶系统的单位阶跃响应

3.3.3一阶系统的单位脉冲响应

3.3.4一阶系统的单位斜坡响应

3.3.5一阶系统的单位匀加速度响应

3.3.6线性定常系统的一个重要特性

3.4二阶系统的时域分析

3.4.1二阶系统的数学模型

3.4.2二阶系统的单位阶跃响应

3.4.3动态过程的性能指标

3.4.4欠阻尼二阶系统的动态过程指标

3.4.5二阶系统的单位脉冲响应

3.4.6二阶系统的单位斜坡响应

3.5高阶系统的时域分析

3.5.1高阶系统的阶跃响应

3.5.2闭环主导极点

3.6用MATLAB做线性系统的时域分析

3.6.1建立传递函数数学模型

3.6.2求控制系统的单位阶跃响应

3.6.3求控制系统的单位脉冲响应

3.6.4求控制系统对任意输入的响应

3.7.1速度反馈

3.7改善控制系统动态性能的方法

3.7.2比例＋微分控制（PD控制）

3.8线性系统的稳定性

3.8.1稳定的基本概念

3.8.2线性定常系统稳定的充分必要条件

3.8.3劳斯（Routh）稳定判据

3.8.4用MATLAB分析控制系统的稳定性

3.9求取保证系统稳定的条件

3.10线性控制系统的稳态误差

3.10.1控制系统的误差与稳态误差

3.10.2终值定理和稳态误差的计算

3.10.3干扰信号作用下的稳态误差

3.10.4动态误差系数

3.11减小和消除稳态误差的方法

3.11.1增大开环放大倍数

3.11.2增加串联积分环节

3.11.3顺馈控制

3.12本章小结

习题与思考题

第四章 根轨迹法

4.1引言

4.2根轨迹的基本概念

4.3绘制根轨迹的基本规则

4.4根轨迹法分析控制系统性能

4.5.1用MATLAB绘制根轨迹

4.5用MATLAB绘制根轨迹

4.5.2用根轨迹图分析控制系统

4.6特殊根轨迹

4.6.1正反馈系统的根轨迹

4.6.2参数根轨迹

4.7根轨迹法的串联超前校正

4.7.1闭环零、极点与系统动态性能的关系

4.7.2增加开环零、极点的作用

4.7.3串联超前校正的设计

4.7.4串联超前校正装置

4.8根轨迹法的串联迟后校正

4.8.1附加开环偶极子的作用

4.8.2串联迟后校正

4.9根轨迹法的串联超前－迟后校正

4.8.3串联迟后校正装置

4.10根轨迹法的反馈校正

4.10.1局部反馈的作用

4.10.2局部反馈校正

4.11本章小结

习题与思考题

第五章 频率法

5.1引言

5.2频率特性

5.2.1正弦信号作用下的稳态输出

5.2.2频率特性（频率响应）

5.2.3频率特性的几种形式

5.2.4典型环节的频率特性

5.3控制系统的频率特性

5.3.1控制系统开环频率特性的Nyquist图

5.3.2控制系统开环频率特性的Bode图

5.3.3控制系统开环频率特性的Nichols图

5.3.4单位反馈系统的闭环频率特性

5.3.5非单位反馈系统的闭环频率特性

5.3.6闭环频率特性和一些特点

5.4用MATLAB绘制系统的频率特性

5.4.1用MATLAB作Bode图

5.4.2用MATLAB作Nyquist图

5.4.3用MATLAB作Nichols图

5.5闭环系统的稳定性分析

5.5.1闭环系统的稳定条件

5.5.2开环频率特性与闭环稳定性的关系

5.5.3 Nyquist判据

5.5.4 Bode图中的Nyquist判据

5.6稳定裕度

5.6.1相角裕度

5.6.2幅值裕度

5.6.3 Bode图中稳定裕度

5.6.4关于相角裕度和幅值裕度的几点说明

5.7稳态误差分析

5.8由开环频率特性分析闭环系统的动态过程

5.8.1二阶系统开环频率特性和动态性能指标的关系

5.9.1典型的闭环频率特性

5.8.2高阶系统开环频率特性和动态性能指标

5.9闭环频率特性与动态性能指标的关系

5.9.2二阶系统闭环幅频特性与时域指标的关系

5.9.3高阶系统闭环幅频特性和时域性能指标的关系

5.10基于频率法的串联超前校正

5.10.1基于频率法的校正

5.10.2串联超前校正

5.10.3串联超前校正的设计步骤

5.11串联迟后校正

5.11.1串联迟后校正环节

5.11.2串联迟后校正装置的设计步骤

5.12串联迟后－超前校正

5.13.1希望频率特性

5.13希望频率特性

5.13.2串联校正装置的设计

5.14局部反馈校正

5.14.1不希望折点

5.14.2反馈校正的设计步骤

5.15本章小结

习题与思考题

第六章 线性离散系统

6.1计算机控制系统概述

6.2A/D转换

6.2.1 A/D转换

6.2.2离散时间信号的频谱

6.2.3采样周期的选取

6.3 D/A转换

6.4 Z变换与Z反变换

6.4.1 Z变换

6.4.2 Z变换的基本定理

6.4.3 Z反变换

6.5脉冲传递函数

6.5.1脉冲传递函数的概念

6.5.2串联环节的脉冲传递函数

6.5.3线性离散系统的脉冲传递函数

6.6差分方程

6.6.1线性常系数差分方程

6.6.2差分方程的求解

6.6.3由差分方程求脉冲传递函数

6.7线性离散系统的稳定性

6.7.1 s平面到z平面的映射关系

6.7.2线性离散系统稳定的充要条件

6.7.3劳斯稳定判据

6.8线性离散系统的时域分析

6.8.1极点在z平面上的分布与瞬态响应

6.8.2线性离散系统的时间响应

6.8.3线性离散系统的稳态误差

6.9数字控制器的模拟化设计

6.9.1模拟量校正装置的离散化方法

6.9.2模拟化设计举例

6.9.3数字PID算式

6.9.4 PD-PID双模型控制

6.10数字控制器的离散化设计

6.10.1离散化设计的基本思想

6.10.2最少拍无差系统

6.10.3最少拍无差系统设计的一般方法

6.11用MATLAB分析线性离散系统

6.11.1脉冲传递函数的建立及转换

6.11.2连续系统的离散化

6.11.3线性离散系统时域响应分析

6.12本章小结

习题与思考题

第七章 非线性控制系统

7.1引言

7.1.1非线性系统

7.1.2非线性系统的特点

7.1.3非线性系统的分析方法

7.2控制系统中的典型非线性特性

7.2.1饱和特性

7.2.2死区特性

7.2.3间隙特性

7.2.4继电器特性

7.2.5变增益特性

7.3相平面法基本概念及相轨迹的绘制

7.3.1相平面方法的基本概念

7.3.2相轨迹的性质

7.3.3相平面图的绘制

7.4相平面图的分析

7.4.1由相平面图求取系统运动时间解

7.4.2线性系统的相平面分析

7.4.3非线性系统的相平面分析

7.4.4速度反馈用于改善含继电器特性的非线性系统性能

7.4.5利用非线性特性改善控制系统的性能

7.5非线性特性描述函数法

7.5.1描述函数的基本概念

7.5.2描述函数的计算

7.5.3典型非线性环节的描述函数

7.6非线性系统的描述函数分析

7.6.1系统稳定性分析

7.6.2典型非线性特性对系统稳定性的影响

7.6.3应用描述函数法校正非线性控制系统

7.7用MATLAB分析非线性系统

7.7.1应用Simulink分析系统的相轨迹

7.7.2应用M文件绘制系统的相平面

7.7.3应用MATLAB实现描述函数法分析

7.8本章小结

习题与思考题

第八章 线性系统的状态空间分析法

8.1引言

8.2线性系统的状态空间描述

8.2.1线性系统的状态空间描述

8.2.2状态空间表达式的建立

8.2.3线性系统的代数等价

8.3线性时变系统的运动分析

8.3.1运动分析的含义

8.3.2状态转移矩阵的概念、性质及求解方法

8.3.3线性时变系统的响应

8.4线性定常系统的分析

8.4.1线性定常系统的响应

8.4.2矩阵指数函数

8.5系统的能控性

8.5.1能控性的定义

8.5.2线性定常系统的能控性判据

8.5.3线性时变系统的能控性判据

8.5.4线性定常系统的输出能控性

8.6.1能观性的定义

8.6状态的能观性与对偶原理

8.6.2线性时变系统的Gram矩阵判据

8.6.3对偶原理

8.6.4线性时变系统能观性判据

8.6.5线性定常系统的能观测性判据

8.7线性系统的能控规范型与能观规范型

8.7.1单输入系统的能控规范型

8.7.2单输出系统的能观规范型

8.8线性系统的结构分解

8.8.1能控性、能观性在线性非奇异变换下的属性

8.8.2线性定常系统能控性结构分解

8.8.3线性定常系统能观测性结构分解

8.8.4线性定常系统按能控能观性的规范分解

8.8.5线性定常系统由Jordan标准型的结构分解

8.9线性系统的实现问题

8.9.1能控、能观性与系统的传递函数矩阵的零极点对消

8.9.2单输入单输出系统的实现

8.9.3多输入多输出系统的实现

8.9.4最小实现

8.10离散系统的状态空间分析

8.10.1离散系统的状态空间描述

8.10.2线性离散系统的运动分析

8.10.3离散时间系统的能控性

8.10.4能观测性及其判据

8.10.5规范分解与规范型

8.10.6连续系统时间离散化保持能控和能观测的条件

8.11线性定常系统状态空间分析法的MATLAB实现

8.11.1控制系统数学模型的建立与转换

8.11.2线性定常系统状态方程的解及动态方程的线性变换

8.11.3线性定常系统的能控性与能观性

8.12本章小结

习题与思考题

第九章 线性定常系统的状态空间综合

9.1引言

9.2线性系统的常规控制律

9.2.1线性定常系统的状态反馈控制律

9.2.2线性定常系统的输出反馈控制律

9.2.3线性定常系统的输出动态补偿器

9.3极点配置

9.3.1单输入系统的极点配置

9.3.2输出反馈极点配置问题的解的讨论

9.4镇定问题与渐近跟踪问题

9.4.1状态反馈和输出反馈镇定问题

9.4.2状态反馈镇定控制律的设计

9.4.3渐近跟踪问题——定常参考信号的情形

9.5控制系统的状态观测器设计

9.5.1全维观测器

9.5.2降维状态观测器

9.5.3观测器——控制器反馈控制系统与分离原理

9.6解耦问题

9.6.1串联动态补偿器解耦

9.6.2状态反馈解耦

9.7.1离散线性系统的状态反馈极点配置

9.7离散系统的控制

9.7.2离散线性系统的状态反馈镇定

9.7.3离散线性系统的全维状态观测器

9.8线性定常系统状态空间综合的MATLAB实现

9.8.1线性定常系统状态反馈与状态观测器

9.8.2MIMO线性定常系统的传递函数矩阵与状态反馈解耦

9.9本章小结

习题与思考题

第十章 系统的运动稳定性

10.1引言

10.1.1非线性系统

10.1.2解的存在惟一性

10.2.1系统的平衡点

10.1.3本章安排

10.2李亚普诺夫稳定性

10.2.2稳定性的研究对象

10.2.3稳定与一致稳定性的定义

10.2.4吸引、渐近稳定与一致渐近稳定

10.2.5指数稳定

10.2.6示例

10.3自治系统李亚普诺夫稳定性的基本定理

10.3.1标量函数的定号性

10.3.2李亚普诺夫稳定性直接方法的基本思想

10.3.3李亚普诺夫稳定性的主要定理

10.4非自治系统李亚普诺夫稳定性的基本定理

10.4.1自治系统与非自治系统的区别

10.4.2时变正定函数

10.4.3 K类函数

10.4.4非自治系统李亚普诺夫稳定性的基本定理

10.5线性时变系统的稳定性判定

10.5.1线性系统稳定性的特殊性

10.5.2直接判据

10.5.3李雅普诺夫定理

10.6线性定常系统的稳定性

10.6.1直接判据

10.6.2线性定常系统李雅普诺夫稳定性定理

10.6.3渐近稳定线性系统时间常数的估计

10.7李亚普诺夫一次近似方法

10.6.4求解最优化参数

10.8构造Lyapunov函数的几种方法

10.8.1克拉索夫斯基方法

10.8.2变量梯度法

10.9离散系统的稳定性

10.9.1离散时间系统的Lyapunov稳定性定理

10.9.2线性离散时间系统的稳定性判定

10.9.3 Schur-Cohn判据

10.10线性系统的有界输入有界输出稳定性

10.10.1有界输入有界输出稳定性及其判定

10.10.2内部稳定性与外部稳定性的关系

10.11用MATLAB分析系统稳定性

10.11.1用MATLAB分析系统的稳定性

10.11.2用MATLAB分析线性离散系统的稳定性

10.11.3用MATLAB分析非线性系统的稳定性

10.12本章小结

习题与思考题

第十一章 最优控制

11.1最优控制的一般提法

11.1.1最优控制问题的两个例子

11.1.2最优控制的一般提法

11.1.3最优控制的研究方法

11.2变分法及其在求解无约束最优控制中的应用

11.2.1泛函与变分

11.2.2欧拉方程

11.2.3泛函的条件极值

11.2.4横截条件

11.2.5变分法在最优控制中的应用

11.3极小值原理

11.3.1连续系统末端自由时的极小值原理

11.3.2极小值原理的几种具体形式

11.3.3离散系统的极小值原理

11.3.4最小能量控制

11.4时间最优控制问题

11.4.1 Bang-Bang控制原理

11.4.2被控对象的传递函数为W(s)=K/τs+1情形

11.4.3被控对象传递函数为W(s)=1/s2情形

11.4.4被控对象传递函数为W(s)=1/s(s+a)(a＞0)情形

11.4.5被控对象传递函数为W(s)=1/(s+a1)(s+a2)(a1＞0,a2＞0)情形

11.4.6简谐振荡型被控对象情形

11.5.1线性二次型问题

11.5线性二次型最优控制问题

11.5.2有限时间状态调节器问题

11.5.3无限长时间定常状态调节器问题

11.6输出调节器问题

11.6.1线性时变系统的输出调节器

11.6.2线性定常系统的情形

11.7最优跟踪问题

11.7.1线性时变系统的情形

11.7.2非零点调节器问题

11.7.3PI跟踪控制器

11.8动态规划法

11.8.1多级决策过程的例子

11.8.2离散型动态规划

11.8.3离散线性二次型最优控制问题

11.8.4连续动态规划

11.8.5动态规划法与极小值原理的联系

11.9用MATLAB分析最优控制问题

11.9.1极小值原理

11.9.2时间最优控制

11.9.3状态反馈线性二次型最优调节器

11.9.4连续时间的输出反馈线性二次型最优调节器

11.9.6动态规划

11.10本章小结

习题与思考题

参考文献

11.9.5最优跟踪问题