自动化技术在我国的工业、农业、经济和国防建设等各类领域中发挥重要作用，新时期数字化、网络化、智能化的快速发展引发了对自动化专业人才的迫切需求。;自动控制原理是培养自动控制系统分析与设计专门人才的工科理论课程，涉及控制系统的模型建立、系统分析、系统设计的基本理论和相关技术。回顾自动控制理论的历史，我们可以看到，它是在生产实际的需要中发展起来的。从19 世纪到20世纪50年代形成的经典控制理论，主要以时域方法、频域方法和根轨迹方法为基础，较好地解决了简单控制系统的分析和设计，其中形成的PID 控制方法，至今仍在广泛应用。20世纪60年代，为了解决航空航天中的复杂控制问题，采用了数字计算机这一强大的工具，产生了现代控制理论。随着微电子技术的迅速发展，现代控制理论得到了越来越广泛的应用。当前，随着系统日趋复杂和控制性能要求的不断提升，经典控制理论和现代控制理论并行发展，需根据不同条件和情况加以选用。此外，自动控制理论所研究的问题已经从单输入单输出的较为简单的系统扩展到多输入多输出、并且存在干扰噪声及不确定的系统，处理问题的方法近年来包括基于大系统理论的控制方法以及模仿生物智慧的智能方法。尽管如此，掌握自动控制的基本理论仍是十分重要的。本书内容包括自动控制理论的基本概念和若干应用，主要以经典控制理论为主，包括现代控制理论的基础概念和方法。其中，第1章主要介绍了自动控制的基本概念、基本分类，对自动控制系统的基本要求和自动控制理论的发展历史。第2章以大量机械、电气系统等实际对象为例，介绍了建立控制系统数学模型的方法。第3～6章对线性定常控制系统进行了介绍，包括时域分析法、根轨迹法、频域分析法以及校正和设计方法，其中第3章讨论了二阶系统的时域响应和相应的性能指标，以及用于稳定性分析的劳斯判据；第4章介绍了根轨迹的原理、作图方法和基于根轨迹的系统分析；第5章介绍了控制系分析的频域方法，讨论了基于极坐标的奈奎斯特图和基于对数坐标的频率特性图的绘制及其在系统性能分析和稳定性分析中的应用；第6章对单输入单输出线性定常系统，介绍了基于根轨迹和频域方法的控制系统校正和设计方法。第7章为线性离散系统的理论及其应用，在基本概念、数学模型、动态性能及数字校正方面，进行详细的讨论。第8章主要讨论了描述函数法、相平面法等常用的非线性系统分析方法。第9章现代控制理论部分主要介绍了状态空间模型的建立、可控性和可观性、基于状态空间模型的控制系统设计方法极点配置、观测器设计和李雅普诺夫稳定性理论。为了提高知识的学习、理解和吸收，充分运用近年来涌现的各种新技术、新手段，本书采用数字化资源与纸质教材的深度融合方式，将抽象概念转化为可视化内容，并通过数字化资源补充和丰富相关专业知识，提升学习的个性化与便捷化，适配多元需求。本书编写团队的成员均为国家精品在线开放课程、国家级一流本科课程的负责人和主要建设者。本书的第4版在第3版的基础上修正了一些错误，由樊慧津、刘磊和王永骥负责整体内容设计，樊慧津负责全书数字化教学资源的策划和全部书稿的审定。各章编者为：王永骥(第1、9章)，樊慧津(第2、3章)，王敏、樊慧津(第4、5、6章)，秦肖臻、刘磊(第7、8 章)。此外，为了提升国际视野，培养学生对英文专业资料的学习能力，在第7～9章配套了部分内容的双语及英文电子资源。对于本书中存在的不妥之处，欢迎广大读者批评指正。

编者2025年5月

本书包括以下几个内容：系统的基本概念；物理系统建模；线性定常系统稳定性分析、瞬态响应与稳态误差；分析系统的根轨迹法、频域法、状态空间法；控制系统的综合与校正；离散控制系统分析与综合；非线性系统的基本特点及典型分析方法；系统的可控性可观性、状态反馈和极点配置；控制系统的鲁棒性分析。本书本着循序渐进、启发思维、培养创新精神的原则，设计了许多有关新技术领域(如计算机、航天、航海、航空方面)的例题、习题、思考题；结合自动控制理论基本原理的讲解、多种类电子资源的拓展，应用了Matlab 及控制系统工具箱进行计算机辅助教学，通过例题、习题介绍了控制系统的分析、综合及仿真应用。本书可用作自动化、电气工程及其自动化、机械设计制造及其自动化等工科相关专业本科生的教材，亦可供相关工程技术人员参考。

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1 控制系统导论 11.1 自动控制的基本原理 11.1.1 一个实例和术语 21.1.2 控制系统方框图 21.2 自动控制系统的分类 31.2.1 按信号的传递路径来分 31.2.2 按系统输入信号的变化规律不同来分 51.2.3 按系统传输信号的性质来分 51.2.4 按描述系统的数学模型不同来分 51.2.5 其它分类方法 71.3 对控制系统的基本要求 71.4 自动控制的发展简史 81.4.1 经典控制阶段 81.4.2 现代控制阶段 91.4.3 大系统控制阶段 101.4.4 智能控制阶段 10本章小结 11习题1 11

2 控制系统数学模型 132.1 导论 132.2 控制系统的微分方程 142.2.1 微分方程式的建立 142.2.2 非线性方程的线性化 202.3 控制系统的传递函数 242.3.1 传递函数的概念 242.3.2 传递函数的性质 252.3.3 典型环节及其传递函数 262.4 控制系统结构图与信号流图 292.4.1 控制系统的结构图 292.4.2 控制系统的信号流图 372.4.3 控制系统的传递函数 412.5 应用Matlab控制系统仿真 432.5.1 举例 442.5.2 传递函数 452.5.3 结构图模型 46本章小结 49习题2 49

3 控制系统的时域分析法 543.1 二阶系统的瞬态响应及性能指标 543.1.1 典型输入信号 553.1.2 系统的时域性能指标 563.1.3 瞬态响应分析 573.1.4 线性定常系统的重要特性 633.2 增加零极点对二阶系统响应的影响 643.3 反馈控制系统的稳态误差 673.3.1 稳态误差的概念 673.3.2 稳态误差的计算 683.3.3 主扰动输入引起的稳态误差 713.3.4 关于降低稳态误差问题 713.4 劳斯_赫尔维茨稳定性判据 733.4.1 稳定性的概念 733.4.2 劳斯判据 753.4.3 赫尔维茨判据 823.5 控制系统灵敏度分析 833.6 应用Matlab分析控制系统的性能 86本章小结 90习题3 90

4 根轨迹法 944.1 根轨迹的基本概念 944.2 绘制根轨迹的基本规则 964.3 控制系统根轨迹的绘制 1014.4 广义根轨迹 1064.4.1 以非K*为变参数的根轨迹 1064.4.2 正反馈系统的根轨迹 1084.4.3 非最小相位系统的根轨迹 1094.5 线性系统的根轨迹分析方法 1124.5.1 主导极点的概念 1124.5.2 增加开环零极点对根轨迹的影响 1144.6 利用Matlab绘制系统的根轨迹 116本章小结 119习题4 120

5 线性系统的频域分析 1225.1 频率特性的概念 1225.2 开环系统频率特性的图形表示 1255.2.1 幅相频率特性曲线 1255.2.2 对数频率特性曲线 1335.3 奈奎斯特稳定判据 1415.3.1 奈奎斯特稳定判据的数学基础 1415.3.2 奈奎斯特稳定判据 1435.4 控制系统的相对稳定性 1465.4.1 相对稳定性 1475.4.2 稳定裕度的求取 1485.5 闭环频率特性 1515.5.1 闭环频率特性的图形表示 1515.5.2 闭环系统的频域性能指标 1575.6 Matlab在系统频域分析中的应用 161本章小结 165习题5 165

6 线性系统的校正方法 1696.1 校正与综合的概念 1696.1.1 校正的基本方式 1706.1.2 基本控制规律 1706.2 常用校正装置及其特性 1736.2.1 无源校正装置 1736.2.2 有源校正装置 1786.3 串联校正 1796.3.1 串联超前校正 1796.3.2 串联滞后校正 1816.3.3 串联滞后_超前校正 1836.3.4 期望频率特性法校正 1846.4 反馈校正 1886.5 Matlab在系统校正中的应用 190本章小结 192习题6 193

7 线性离散控制系统 1967.1 引言 1967.1.1 直接数字控制系统 1967.1.2 计算机监督控制系统 1977.1.3 集散控制系统 1977.2 采样过程的数学描述 1987.2.1 采样过程及其数学描述 1987.2.2 采样定理 2007.2.3 采样周期的选择 2017.3 信号保持 2027.3.1 零阶保持器 2027.3.2 一阶保持器 2047.4 采样系统的数学模型 2057.4.1 描述离散控制系统的线性差分方程 2057.4.2 脉冲传递函数 2077.5 离散控制系统分析 2137.5.1 线性离散控制系统的稳定性分析 2137.5.2 离散控制系统的瞬态响应 2187.5.3 离散控制系统的稳态误差 2207.6 数字控制器的设计 2227.6.1 无稳态误差最少拍系统的设计 2237.6.2 G(z)具有单位圆上和单位圆外零极点的情况时数字控制器的设计 2267.6.3 无纹波无稳态误差最少拍系统的设计 2277.7 Matlab在离散系统中的应用 229本章小结 233习题7 233

8 非线性系统理论 2378.1 引言 2378.1.1 非线性系统特点 2378.1.2 研究非线性系统的意义与方法 2398.2 典型非线性特性的数学描述及其对系统性能的影响 2398.2.1 饱和特性 2408.2.2 死区特性 2408.2.3 间隙特性 2408.2.4 继电特性 2418.3 描述函数法 2428.3.1 描述函数的概念 2428.3.2 典型非线性的描述函数 2438.3.3 多重非线性的描述函数 2488.3.4 用描述函数法分析非线性系统 2498.4 相平面法 2538.4.1 相轨迹及其绘制方法 2538.4.2 奇点与极限环 2548.4.3 用相平面法分析非线性系统 258本章小结 261习题8 261

9 状态空间分析与综合 2659.1 引言 2659.2 状态空间和状态方程 2659.2.1 状态空间方法的几个基本概念 2659.2.2 几个示例 2669.3 线性系统状态空间表达式的建立 2689.3.1 高阶微分方程到状态空间描述 2689.3.2 将传递函数转换成状态空间描述 2719.3.3 由状态变量图求系统的状态空间描述 2729.3.4 状态空间描述与传递函数的关系 2759.3.5 状态变量组的非唯一性 2789.3.6 系统矩阵A 的特征方程和特征值 2799.3.7 利用Matlab进行系统模型之间的相互转换 2799.4 线性定常系统连续状态方程的解 2829.4.1 线性系统状态方程的解 2839.4.2 状态转移矩阵性质 2839.4.3 向量矩阵分析中的若干结果 2849.4.4 矩阵指数函数eAt 的计算 2859.4.5 线性离散系统状态空间表达式的建立及其解 2889.5 线性定常系统的可控性与可观测性分析 2919.5.1 线性连续系统的可控性 2919.5.2 线性定常连续系统的可观测性 2949.5.3 对偶原理 2969.5.4 单输入/单输出系统状态空间描述的标准形 2979.5.5 基于系统标准形的可控可观判据 2999.5.6 离散系统的可控性和可观测性判据 3029.5.7 用Matlab判断系统的可控性和可观测性 3029.6 线性定常系统的状态反馈和状态观测器 3039.6.1 状态反馈与极点配置 3049.6.2 输出反馈与极点配置 3119.6.3 状态观测器 3119.7 李雅普诺夫稳定性分析 3319.7.1 李雅普诺夫意义下的稳定性问题 3319.7.2 李雅普诺夫稳定性理论 334本章小结 344习题9 345

本书配套数字资源表 353

参考文献 354