自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化學(xué)科的重要理論基礎(chǔ)，是研究有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)中基本概念、基本原理和基本方法的課程，是高等院校自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)的核心基礎(chǔ)理論課程。學(xué)好自動(dòng)控制理論對(duì)掌握自動(dòng)化技術(shù)有著重要的作用。

本書嚴(yán)格按照高等工科院校自動(dòng)控制原理教學(xué)大綱的要求安排全書內(nèi)容。全書從自動(dòng)控制的基本概念開始逐漸深入，不僅向讀者介紹了自動(dòng)控制的經(jīng)典控制理論，還對(duì)現(xiàn)代控制理論做了初步的介紹，讓讀者對(duì)現(xiàn)代控制理論有一個(gè)基本的了解和認(rèn)識(shí)。在介紹相關(guān)原理的時(shí)候，盡量做到嚴(yán)謹(jǐn)而不枯燥，不僅安排了豐富而詳實(shí)的實(shí)例，還借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來輔助教學(xué)。

本書的內(nèi)容安排如下：

第1章緒論。主要對(duì)自動(dòng)控制理論的發(fā)展、自動(dòng)控制技術(shù)中的基本控制方式、自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求等作了簡單介紹，讓讀者對(duì)自動(dòng)控制有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。

第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。主要對(duì)控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)過程中常采用的微分方程、Laplace變換基礎(chǔ)、傳遞函數(shù)、典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的等效變換、自動(dòng)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)等數(shù)學(xué)模型進(jìn)行相應(yīng)的介紹。本章是控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，如果不對(duì)分析和設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，所有的分析和設(shè)計(jì)將無從談起。

第3章時(shí)域分析法。在確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型后，便可以用幾種不同的方法去分析控制系統(tǒng)的性能，而時(shí)域分析法是一種在時(shí)間域中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析的方法，具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。所以在本章重點(diǎn)介紹了時(shí)域分析法中典型輸入信號(hào)、階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)、一階系統(tǒng)的時(shí)域分析、二階系統(tǒng)的時(shí)域分析、線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算等知識(shí)。

第4章根軌跡分析法。在分析閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)，為求解閉環(huán)極點(diǎn)和閉環(huán)零點(diǎn)引入了根軌跡分析法，為此在本章中重點(diǎn)對(duì)根軌跡的基本概念、根軌跡繪制的基本規(guī)則以及廣義根軌跡等知識(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的介紹。

第5章頻率特性分析法。頻率特性分析法作為一種有效的圖解法和成熟實(shí)用的工程方法，不僅適用于線性定常系統(tǒng)，而且被推廣應(yīng)用到對(duì)某些非線性控制系統(tǒng)的分析中。為此本章重點(diǎn)對(duì)頻率特性的基本概念、典型環(huán)節(jié)頻率特性、系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的繪制、奈奎斯特穩(wěn)定判斷依據(jù)、穩(wěn)定裕度和三段頻與系統(tǒng)的關(guān)系等知識(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的介紹。

第6章自動(dòng)控制系統(tǒng)的校正。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題作為系統(tǒng)分析的逆問題，是根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的要求，選擇合適的控制方案與結(jié)構(gòu)、計(jì)算系統(tǒng)參數(shù)、選擇裝置，通過仿真或?qū)嶒?yàn)研究，建立起能滿足要求的實(shí)用系統(tǒng)。這樣一項(xiàng)復(fù)雜的工作，既要考慮技術(shù)要求，又要考慮工程方面的要求。而系統(tǒng)的綜合校正是從技術(shù)角度出發(fā)，用數(shù)學(xué)方法尋找一個(gè)能滿足技術(shù)要求的控制系統(tǒng)。因此，本章重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)校正的基本概念、工程常用校正控制規(guī)律、基于頻率法的串聯(lián)校正設(shè)計(jì)、基于根軌跡法的串聯(lián)校正設(shè)計(jì)以及應(yīng)用Matlab進(jìn)行校正設(shè)計(jì)等知識(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的介紹。

第7章離散控制系統(tǒng)。本章重點(diǎn)對(duì)離散控制系統(tǒng)基本概念、信號(hào)的采樣與復(fù)現(xiàn)、離散控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、離散系統(tǒng)的性能分析以及應(yīng)用Matlab進(jìn)行離散系統(tǒng)分析等知識(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的介紹。

第8章現(xiàn)代控制理論初步。本章主要介紹現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)知識(shí)，包括狀態(tài)空間的基本概念、狀態(tài)空間的描述、系統(tǒng)的能控性和能觀測(cè)性等幾個(gè)方面，通過這些方面的學(xué)習(xí)，可以掌握現(xiàn)代控制理論的初步知識(shí)。

本書重點(diǎn)突出、主次分明、結(jié)構(gòu)層次清晰、邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、語言通俗易懂，內(nèi)容深入淺出，并附有大量有針對(duì)性的實(shí)例和練習(xí)，易于讀者學(xué)習(xí)和鞏固。本書既可作為電子信息、機(jī)電一體化類專業(yè)的本科生、�？粕�的“自動(dòng)控制原理”課程專業(yè)教材，還可作為高職、高專院校相關(guān)專業(yè)教材。同時(shí)也可作為其他相關(guān)專業(yè)學(xué)生和從事自動(dòng)控制方面工作的工程技術(shù)人員的參考書。

本書由李明富、曾偉一擔(dān)任主編，譚飛、王皚軍擔(dān)任副主編，林訓(xùn)超、郝文化審。其中，李明富編寫了第1、2、3章和第8章的第1、2、4節(jié)；曾偉一編寫了第6章的第5節(jié)；王皚軍編寫了第4、5章；譚飛編寫了第6章的第1、2、3、4、6、7節(jié)和第7章的第1、2、4、5、6節(jié)；陳立偉編寫了第7章的第3節(jié)；李德智編寫了第8章的第3節(jié)。

同時(shí)參與本書編排的人員還有：鄒素瓊、郝文化、王安貴、陳郭宜、程小英、譚小麗、盧麗娟、劉育志、吳淬礪、趙明星、賀洪俊、李小平、史利、張燕秋、周林英、黃茂英、李力、李小瓊、李修華、田茂敏、蘇萍、巫文斌、鄒勤、粟德容、童芳、李中全等，向他們表示衷心的感謝。

在本書的編寫過程中，得到有關(guān)高校領(lǐng)導(dǎo)和老師以及中國水利水電出版社的大力支持，并參考了國內(nèi)外有關(guān)作者的書籍或最新成果，在此一并向他們表示感謝。由于時(shí)間倉促，書中難免出現(xiàn)錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

為充分展現(xiàn)本書編寫特點(diǎn)，幫助讀者深刻理解本書內(nèi)涵，進(jìn)一步提高本書教學(xué)的效率，我們建立了本書使用指導(dǎo)聯(lián)絡(luò)信箱。歡迎讀者將圖書使用過程中的問題與各種探討、建議反饋給我們，編者會(huì)竭誠給你滿意的答復(fù)。我們的E-mail：bojia@bojia.net。同時(shí)，為方便老師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)，本書還配有電子教案和習(xí)題參考答案，可從中國水利水電出版社網(wǎng)站免費(fèi)下載，網(wǎng)址：http://www.waterpub.com.cn/softdown/。

編 者

2005年7月

序
前言
第1章 緒論 1
知識(shí)點(diǎn) 1
1.1 引言 1
1.1.1 自動(dòng)控制技術(shù)及應(yīng)用 1
1.1.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展 2
1.2 自動(dòng)控制技術(shù)中的基本控制方式 3
1.2.1 開環(huán)控制 3
1.2.2 閉環(huán)控制 4
1.2.3 其他控制方式 7
1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 9
1.3.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本職能元件 9
1.3.2 自動(dòng)控制的基本術(shù)語 10
1.3.3 方框圖的建立 11
1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 12
1.4.1 按給定值分類 12
1.4.2 按系統(tǒng)特性分類 12
1.4.3 按系統(tǒng)信號(hào)形式分類 13
1.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求 14
1.5.1 穩(wěn)定性 14
1.5.2 快速性 14
1.5.3 準(zhǔn)確性 14
1.6 本課程的性質(zhì)和任務(wù) 15
1.7 本章要點(diǎn)及習(xí)題 15
1.7.1 本章要點(diǎn) 15
1.7.2 基礎(chǔ)部分 15
1.7.3 提高部分 16
第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 17
知識(shí)點(diǎn) 17
2.1 微分方程 17
2.1.1 系統(tǒng)微分方程的建立 17
2.1.2 建立微分方程的步驟 22
2.2 Laplace變換基礎(chǔ) 22
2.2.1 拉氏變換的概念 22
2.2.2 常用函數(shù)的拉氏變換 23
2.2.3 拉氏變換的基本定理 23
2.3 傳遞函數(shù) 24
2.3.1 傳遞函數(shù)的定義 24
2.3.2 傳遞函數(shù)的性質(zhì) 25
2.4 典型環(huán)節(jié)及傳遞函數(shù) 25
2.4.1 比例環(huán)節(jié) 26
2.4.2 積分環(huán)節(jié) 26
2.4.3 慣性環(huán)節(jié) 27
2.4.4 理想微分環(huán)節(jié) 28
2.4.5 比例微分環(huán)節(jié) 28
2.4.6 振蕩環(huán)節(jié) 29
2.4.7 延遲環(huán)節(jié) 30
2.5 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 31
2.5.1 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的組成 31
2.5.2 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的建立 32
2.6 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的等效變換 34
2.6.1 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的等效變換法則 34
2.6.2 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的等效變換舉例 36
2.7 自動(dòng)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 38
2.7.1 閉環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) 38
2.7.2 閉環(huán)傳遞函數(shù) 39
2.8 本章要點(diǎn)及習(xí)題 40
2.8.1 本章要點(diǎn) 40
2.8.2 基礎(chǔ)部分 41
2.8.3 提高部分 42
第3章 時(shí)域分析法 44
知識(shí)點(diǎn) 44
3.1 典型輸入信號(hào) 44
3.1.1 階躍函數(shù) 44
3.1.2 斜坡函數(shù) 45
3.1.3 拋物線函數(shù) 45
3.1.4 脈沖函數(shù) 46
3.1.5 正弦函數(shù) 46
3.2 階躍響應(yīng)的性能指標(biāo) 47
3.2.1 上升時(shí)間 47
3.2.2 延遲時(shí)間 48
3.2.3 超調(diào)量 48
3.2.4 調(diào)節(jié)時(shí)間 48
3.2.5 峰值時(shí)間 48
3.2.6 穩(wěn)態(tài)誤差 49
3.3 一階系統(tǒng)的時(shí)域分析 49
3.3.1 一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 49
3.3.2 一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 49
3.3.3 一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng) 50
3.3.4 一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng) 51
3.4 二階系統(tǒng)的時(shí)域分析 52
3.4.1 二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 52
3.4.2 二階系統(tǒng)的工作狀態(tài) 52
3.4.3 欠阻尼二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 53
3.4.4 臨界阻尼二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 54
3.4.5 典型二階系統(tǒng)的性能指標(biāo) 55
3.5 線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性 56
3.5.1 穩(wěn)定性定義 57
3.5.2 穩(wěn)定的條件 57
3.5.3 穩(wěn)定的判斷依據(jù) 59
3.6 穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算 62
3.6.1 誤差和穩(wěn)態(tài)誤差 63
3.6.2 穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算 64
3.6.3 系統(tǒng)的類型 65
3.7 本章要點(diǎn)及習(xí)題 67
3.7.1 本章要點(diǎn) 67
3.7.2 基礎(chǔ)部分 67
3.7.3 提高部分 68
第4章 根軌跡分析法 70
知識(shí)點(diǎn) 70
4.1 根軌跡的基本概念 70
4.1.1 根軌跡的概念 70
4.1.2 根軌跡與系統(tǒng)性能 71
4.1.3 閉環(huán)零、極點(diǎn)與開環(huán)零、極點(diǎn)的關(guān)系 72
4.1.4 根軌跡方程及繪制條件 72
4.2 根軌跡繪制的基本規(guī)則 73
4.2.1 繪制根軌跡的基本規(guī)則 73
4.2.2 根軌跡繪制舉例 78
4.3 廣義根軌跡 82
4.3.1 參數(shù)根軌跡 82
4.3.2 零度根軌跡 83
4.4 本章要點(diǎn)及習(xí)題 84
4.4.1 本章要點(diǎn) 84
4.4.2 基礎(chǔ)部分 85
4.4.3 提高部分 86
第5章 頻率特性分析法 88
知識(shí)點(diǎn) 88
5.1 頻率特性的基本概念 88
5.1.1 頻率特性的定義 88
5.1.2 頻率特性的表示法 90
5.2 典型環(huán)節(jié)頻率特性 92
5.2.1 比例環(huán)節(jié) 93
5.2.2 積分環(huán)節(jié) 94
5.2.3 慣性環(huán)節(jié) 95
5.2.4 微分環(huán)節(jié) 96
5.2.5 一階微分環(huán)節(jié) 96
5.2.6 二階微分環(huán)節(jié) 97
5.2.7 振蕩環(huán)節(jié) 98
5.3 系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的繪制 100
5.3.1 概略開環(huán)幅相曲線的繪制 101
5.3.2 開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性曲線的繪制 103
5.3.3 根據(jù)頻率特性確定傳遞函數(shù) 105
5.4 奈奎斯特穩(wěn)定判斷依據(jù) 107
5.4.1 系統(tǒng)開環(huán)特征式和閉環(huán)特征式 107
5.4.2 奈奎斯特穩(wěn)定判斷依據(jù) 107
5.5 穩(wěn)定裕度 109
5.6 三段頻與系統(tǒng)的關(guān)系 111
5.7 本章要點(diǎn)及習(xí)題 112
5.7.1 本章要點(diǎn) 112
5.7.2 基礎(chǔ)部分 113
5.7.3 提高部分 114
第6章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的校正 118
知識(shí)點(diǎn) 118
6.1 校正的基本概念 118
6.1.1 性能指標(biāo) 118
6.1.2 系統(tǒng)的校正 119
6.2 工程常用校正控制規(guī)律 120
6.2.1 P控制（比例控制） 120
6.2.2 PD控制（比例+微分） 120
6.2.3 PI控制（比例+積分） 121
6.2.4 PID控制（比例+積分+微分） 121
6.3 基于頻率法的串聯(lián)校正設(shè)計(jì) 122
6.3.1 基于頻率特性的串聯(lián)超前校正 122
6.3.2 基于頻率特性的串聯(lián)滯后校正 126
6.3.3 基于頻率特性的串聯(lián)滯后-超前校正 129
6.3.4 按期望特性進(jìn)行串聯(lián)校正 131
6.4 基于根軌跡法的串聯(lián)校正設(shè)計(jì) 133
6.4.1 基于根軌跡的串聯(lián)超前校正 133
6.4.2 基于根軌跡的串聯(lián)滯后校正 137
6.4.3 基于根軌跡的滯后-超前校正 140
6.5 應(yīng)用MATLAB進(jìn)行校正設(shè)計(jì) 144
6.6 本章要點(diǎn)及習(xí)題 152
6.6.1 本章要點(diǎn) 152
6.6.2 基礎(chǔ)部分 152
6.6.3 提高部分 153
第7章 離散控制系統(tǒng) 154
知識(shí)點(diǎn) 154
7.1 離散控制系統(tǒng)基本概念 154
7.1.1 采樣控制系統(tǒng) 154
7.1.2 數(shù)字控制系統(tǒng) 155
7.2 信號(hào)的采樣與復(fù)現(xiàn) 155
7.2.1 香農(nóng)采樣定理 155
7.2.2 零階保持器的原理 160
7.3 離散控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 163
7.3.1 差分方程 163
7.3.2 z變換與反z變換 164
7.3.3 脈沖傳遞函數(shù)的定義 168
7.3.4 開環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù) 169
7.3.5 閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù) 172
7.4 離散系統(tǒng)的性能分析 177
7.4.1 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 177
7.4.2 離散系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判斷依據(jù) 180
7.4.3 離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 185
7.4.4 離散系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 188
7.5 應(yīng)用MATLAB進(jìn)行離散系統(tǒng)分析 195
7.6 本章要點(diǎn)及習(xí)題 198
7.6.1 本章要點(diǎn) 198
7.6.2 基礎(chǔ)部分 199
7.6.3 提高部分 201
第8章 現(xiàn)代控制理論初步 203
知識(shí)點(diǎn) 203
8.1 狀態(tài)空間法的基本概念 203
8.1.1 狀態(tài)與狀態(tài)變量 203
8.1.2 狀態(tài)向量與狀態(tài)空間 204
8.2 狀態(tài)空間描述 205
8.2.1 狀態(tài)變量的選取 205
8.2.2 線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述 207
8.3 能控性和能觀測(cè)性 207
8.3.1 線性系統(tǒng)的能控性 208
8.3.2 線性系統(tǒng)的能控性判斷依據(jù) 208
8.3.3 線性系統(tǒng)的能觀測(cè)性 209
8.3.4 線性系統(tǒng)的能觀測(cè)性判斷依據(jù) 209
8.4 本章要點(diǎn)及習(xí)題 210
8.4.1 本章要點(diǎn) 210
8.4.2 基礎(chǔ)部分 210
8.4.3 提高部分 211
參考文獻(xiàn) 212

1. 自動(dòng)控制——建模•分析•設(shè)計(jì) [宮二玲 沈輝 編著]
2. 控制器件（第二版） [鄒逢興 主編]
3. 自動(dòng)控制原理（第五版）同步輔導(dǎo)及習(xí)題全解 [主編 孟浩 劉東星]
4. 自動(dòng)控制原理實(shí)踐教程 [彭學(xué)鋒 等編著]
5. 自動(dòng)控制原理 [林青云 主編]
6. 建筑智能化技術(shù) [謝莉 等編著]