本书作为一门技术基础课教材,在介绍控制理论的基本原理和基本概念的同时,以机械系统、电路系统为背景,阐明了控制理论在工程中的应用。本书的主要内容包括数学基础——拉普拉斯变换、传递函数、时间响应分析、系统误差分析、频率特性分析、系统稳定性分析和系统的校正设计。每章都给出应用实例、MATALAB实现以及习题。
本书可作为机械类各专业大学本科学生的教材,也适于工程技术人员参考。

第1章 绪论
1.1 控制论概述
控制论是自动控制、电子技术、计算机科学等多种学科相互渗透的产物,是在20世纪40年代酝酿形成的。控制论研究的是一个系统,这个系统可以是具体的一个执行机构,如厕所马桶的液面自动调节装置、机床进给系统等,也可以是一个工厂管理系统、人体自身控制系统等。控制论主要研究系统的性能,包括静态性能和动态性能,也就是研究系统的稳定性、准确性和快速性。
自从有了人类社会,控制论的应用就已经开始了。因为人们总是根据眼睛等感觉器官将得到的信息反馈给大脑,从而指导手、腿等执行器官完成计划的工作。其实,人类社会的发展过程就是一个完整的控制系统改造过程。如图1.1所示。人们为了做成某项产品,首先在大脑中产生一个计划,大脑指挥人体活动器官,通过手工作用在控制对象上,形成产品雏形,通过人体感觉器官将产品雏形反馈给大脑,大脑做出与原计划差异的判断,再指挥手进行修正,直到完成满意的产品为止。从这个过程我们可以看出,人参与了整个控制过程。人类社会的发展也是一个控制系统发展的过程。随着社会文明的进步,出现了石器时代,也就是控制对象是石器,而到了铁器时代的时候,控制对象更新为铁器,后来有了机器,由机���作为控制对象,这使人们得以大大减轻体力劳动,而测量工具仍是离线测量工具,由人眼测量到利用测量工具如直尺、千分尺等,这一切都仅仅是控制对象和系统中相应的环节发生了改变,却让人类奋斗了上千年的时间。今天很多问题又进一步得到解决。开始使用各种各样的传感器来替代人的感觉器官,使用计算机来替代人的大脑,可以说,人类社会的进步实质上就是逐步用机器、传感器、电脑等将人从控制系统中解放出来。
……

前言
第1章 绪论
1.1 控制论概述
1.2 控制系统的工作原理与组成
1.2.1 工作原理
1.2.2 控制系统的组成
1.3 控制系统的分类与基本要求
1.3.1 控制系统的分类
1.3.2 控制系统的基本要求
1.4 MATLAB语言简介
1.4.1 MATLAB的系统界面
1.4.2 MATLAB数学运算
1.4.3 MATLAB绘图
1.5 本课程的特点及要求
习题
第2章 数学基础——拉普拉斯变换
2.1 复数和复变函数
2.1.1 复数的概念
2.1.2 复数的表示法
2.1.3 复变函数
2.1.4 极点与零点概念
2.2 拉氏变换
2.2.1 拉氏变换定义
2.2.2 典型时间函数的拉氏变换
2.2.3 拉氏变换的性质
2.3 拉氏反变换及其数学方法
2.3.1 拉氏反变换
2.3.2 拉氏反变换的数学方法
2.4 拉氏变换的应用
2.5 拉氏变换的MATLAB实现
习题
第3章 传递函数
3.1 概述
3.1.1 数学模型的概念
3.1.2 线性系统与非线性系统
3.2 系统微分方程的建立
3.2.1 机械系统的微分方程
3.2.2 电气系统的微分方程
3.2.3 系统元件间的负载效应
3.2.4 非线性微分方程的线性化
3.3 传递函数
3.3.1 传递函数的概念
3.3.2 传递函数的零、极点
3.3.3 典型环节及其传递函数
3.4 系统框图及简化
3.4.1 系统框图的组成
3.4.2 方框图的绘制
3.4.3 系统方框图的简化
3.5 信号流图与Mason公式
3.5.1 信号流图
3.5.2 Mason公式
3.6 应用实例
3.6.1 机床进给传动链
3.6.2 汽车悬挂系统
3.6.3 车削过程
3.6.4 打印轮控制系统
3.7系统数学模型的MATLAB实现
3.7.1 传递函数模型
3.7.2 零极点增益模型
3.7.3 模型转换
3.7.4 动态结构图
习题
第4章 时间响应分析
4.1 时间响应
4.1.1 时间响应的概念
4.1.2 典型输入信号
4.2 一阶系统的时间响应
4.2.1 一阶系统的数学模型
4.2.2 一阶系统的单位阶跃响应
4.2.3 一阶系统的单位脉冲响应
4.2.4 一阶系统的单位斜坡响应
4.3 二阶系统的时间响应
4.3.1 二阶系统的数学模型
4.3.2 二阶系统的单位阶跃响应
4.3.3 二阶系统的单位脉冲响应
4.4 高阶系统的时间响应
4.5 瞬态响应的性能指标
4.5.1 瞬态响应的性能指标
4.5.2 二阶系统的瞬态响应指标
4.6 时间响应的MATLAB实现
习题
第5章 系统误差分析
5.1 概述
5.1.1 误差与偏差
5.1.2 系统的类型
5.2 稳态误差的计算分析
5.2.I静态误差系数与稳态误差
5.2.2 扰动作用下的稳态误差
习题
第6章 频率特性分析
6.1 概述
6.2 频率响应与频率特性
6.2.1 频率响应
6.2.2 频率特性
6.2.3 频率特性的求法
6.2.4 频率特性的特点
6.2.5 频率特性的表示方法
6.3 频率特性的极坐标图(Nyquist图)
6.3.1 极坐标图
6.3.2 典型环节的极坐标图
6.3.3 系统Nyquist图的一般画法
6.4 频率特性的对数坐标图(Bode图)
6.4.1 对数坐标图
6.4.2 典型环节的Bode图
6.4.3 绘制系统Bode图的步骤
6.5 开环频率特性对数坐标图的含义
6.6 *小相位系统及频域性能指标
6.6.1 *小相位系统的概念
6.6.2 由Bode图估计*小相位系统的传递函数
6.6.3 频域性能指标
6.7频率特性的MATLAB实现
6.7.1 利用MATLAB绘制Nyquist图
6.7.2 利用MATLAB绘制Bode图
6.7.3 利用MATLAB求系统的频域特征量
习题
第7章 系统稳定性分析
7.1 稳定性概述
7.2 Routh—Hurwitz稳定性判据
7.2.1 Routh稳定性判据
7.2.2 Hurwitz稳定性判据
7.3 Nyqtlist稳定性判据
7.3.1 基本原理
7.3.2 Nyquist法判别系统的稳定性举例
7.3.3 具有延时环节的系统的稳定性分析
7.4 系统的相对稳定性
7.4.1 相位裕量和幅值裕量
7,4.2 条件稳定系统
7.5 应用实例
7.5.1 Routh—Hurwitz稳定判据应用实例
7.5.2 Nyquist稳定判据应用实例
7.5.3 相对稳定性应用实例
7.6 稳定性分析的MATLAB实现
7.6.1 利用MR'TLAB求系统的特征根
7.6.2 利用MA'TLAB中的函数直接求解
思考题
习题
第8章 系统的校正设计
8.1 概述
8.1.1 系统的时域和频域性能指标
8.1.2 校正的概念
8.1.3 校正的类型
8.2 串联校正
8.2.1 增益校正
8.2.2 相位超前校正
8.2.3 相位滞后校正
8.2.4 相位滞后一超前校正
8.3 并联校正
8.3.1 反馈校正
8.3.2 顺馈校正
8.4 PID校正
8.4.1 PD控制作用
8.4.2 PI控制作用
8.4.3 PID控制作用
8.5 应用实例
8.5.1 电压一转角位置随动系统
8.5.2 直流电机调速系统
8.6 系统校正的MATLAB实现
习题
参考文献

应用控制理论解决工程实际问题越来越受到工程技术人员的重视,控制理论和控制工程解决问题的方法已成为工程技术人员分析问题和解决问题的有效手段。本书作为一门技术基础课的教材,在明确基本控制原理和控制理论基本概念的前提下,以机械系统(特别是质量-弹簧-阻尼系统)、电路系统等为背景,力求阐明控制工程的基本知识和解决问题的基本方法。