本书适用于机械工程类专业本科学生教学及自学使用。本书基于后续课程的教学要求主要以经典控制理论为主线，主要是研究单输入-单输出线性定常系统的分析和设计问题。其理论基础是描述系统输入-输出关系的传递函数的经典控制理论，尤其是自动控制的基本概念、基本原理及基本分析方法。为了在较少的学时内，能使学生较系统地掌握控制理论中最基本的理论和分析设计方法，本书在内容的组织上力求做到重点突出、深入浅出，删去经典控制理论中一些工程中不常用的陈旧内容。本书共分9章：其中第1～3章是控制理论的基本部分；第4～6章主要介绍时间响应的快速性、稳定性及精确性；第7章介绍根轨迹法；第8章主要研究频率响应，在频域中讨论系统的性能及稳定性问题等；第9章主要讨论系统的校正问题。

本书是为机械工程类专业本科学生编写的教材，主要是研究单输入-单输出线性定常系统的分析和设计问题，其理论基础是描述系统输入-输出关系的传递函数的经典控制理论。全书内容包括控制理论的概述、控制系统的微分方程、传递函数、时间响应、稳定性分析、误差计算、根轨迹分析法、频率响应法及校正等。本书注重对自动控制的基本内容、基本概念、基本理论和基本分析方法的阐述，深入浅出，重点突出，便于学生自学。

1 概述1

 1.1 简况1

 1.2 自动控制的基本方式2

1.2.1 开环控制2

1.2.2 闭环控制3

1.2.3 闭环控制的组成4

 1.3 自动控制系统的工作原理5

1.3.1 速度控制系统5

1.3.2 水位控制系统6

1.3.3 位置随动系统7

 1.4 对控制系统的性能要求8

1.4.1 稳定性8

1.4.2 快速性9

1.4.3 精确性9

 习题1 10

2 控制系统的微分方程12

 2.1 建立系统微分方程的一般方法和步骤12

2.1.1 微分方程的一般特征12

2.1.2 建立微分方程的一般步骤13

2.1.3 理想元件的微分方程描述13

2.1.4 机械系统的微分方程14

2.1.5 电气系统的微分方程16

2.1.6 机电系统的微分方程17

 2.2 线性系统及其齐次性和叠加性18

2.2.1 线性系统18

2.2.2 线性系统的齐次性18

2.2.3 线性系统的叠加性19

 2.3 非线性数学模型线性化20

2.3.1 线性化的基本概念20

2.3.2 小偏差线性化20

2.3.3 线性化的数学意义和步骤20

 习题2 21

3 传递函数23

 3.1 数学工具--拉普拉斯变换与反变换23

3.1.1 拉氏变换的基本概念23

3.1.2 拉氏变换基本定理25

3.1.3 拉氏反变换30

3.1.4 拉氏变换应用举例31

 3.2 传递函数33

3.2.1 传递函数的定义和性质33

3.2.2 传递函数的零点和极点34

3.2.3 典型环节的分类34

3.2.4 典型环节的传递函数36

 3.3 系统方块图及其传递函数39

3.3.1 方块图的组成 40

3.3.2 方块图的绘制40

3.3.3 利用方块图的简化求取系统的传递函数42

3.3.4 利用梅逊公式求取系统的传递函数46

 3.4 控制系统的传递函数50

3.4.1 系统的开环传递函数50

3.4.2 闭环系统的传递函数50

3.4.3 闭环系统的偏差传递函数51

 习题3 52

4 时间响应分析55

 4.1 时间响应及其性能指标55

4.1.1 时间响应的概念55

4.1.2 典型信号的时间响应56

4.1.3 任意输入函数作用下的系统响应57

4.1.4 时间响应的性能指标58

 4.2 一阶系统的时间响应59

4.2.1 单位阶跃响应59

4.2.2 单位斜坡响应60

4.2.3 单位脉冲响应60

 4.3 二阶系统的时间响应61

4.3.1 单位阶跃响应62

4.3.2 单位斜坡响应68

4.3.3 单位脉冲响应69

 4.4 高阶系统的时间响应73

4.4.1 三阶系统的单位阶跃响应73

4.4.2 高阶系统的主导极点74

4.4.3 高阶系统的时间响应分析75

 习题4 77

5 控制系统的稳定性及其时域判据78

 5.1 稳定性的概念及系统稳定的条件78

5.1.1 稳定性的概念78

5.1.2 系统稳定的条件78

 5.2 系统稳定性的时域判据80

5.2.1 罗斯判据80

5.2.2 霍尔维茨判据84

 5.3 结构性不稳定系统86

 习题5 87

6 控制系统的稳态误差88

 6.1 偏差、误差和稳态误差的概念88

6.1.1 偏差、误差88

6.1.2 稳态误差89

 6.2 稳态误差的计算89

6.2.1 利用终值定理求取稳态误差89

6.2.2 利用动态误差系数求取稳态误差94

 6.3 干扰作用下系统的稳态误差计算96

 6.4 降低稳态误差的主要措施97

 习题6 98

7 根轨迹分析法100

 7.1 根轨迹的概念100

7.1.1 根轨迹100

7.1.2 根轨迹方程101

 7.2 根轨迹的基本规则102

 7.3 绘制根轨迹107

 7.4 根轨迹的分析109

 习题7 111

8 频率响应法112

 8.1 频率响应的基本概念 112

 8.2 奈魁斯特图115

8.2.1 典型环节的奈魁斯特图115

8.2.2 系统的开环奈魁斯特图119

 8.3 波德图121

8.3.1 对数幅频特性和对数相频特性121

8.3.2 典型环节的波德图123

8.3.3 系统的开环波德图128

8.3.4 最小相位传递函数130

8.3.5 实验确定传递函数131

 8.4 频域稳定性判据133

8.4.1 奈魁斯特稳定判据133

8.4.2 波德稳定判据139

 8.5 控制系统的稳定裕量140

8.5.1 相位裕量140

8.5.2 幅值裕量140

8.5.3 稳定裕量的计算141

 8.6 控制系统的闭环频率特性143

8.6.1 等M圆图144

8.6.2 等N圆图145

8.6.3 利用等M圆和等N圆图求系统闭环频率特性145

 8.7 频域性能指标与时域性能指标的关系147

8.7.1 闭环频域性能指标与时域性能指标的关系147

8.7.2 开环频域性能指标与动态性能指标的关系148

8.7.3 开环波德图与时域性能指标的关系149

 习题8 151

9 控制系统的校正154

 9.1 串联校正155

9.1.1 基本控制规律155

9.1.2 相位超前校正161

9.1.3 相位滞后校正164

9.1.4 相位滞后-超前校正167

 9.2 反馈校正168

 习题9 170

参考文献172