自動控制原理是自動化學科的重要理論基礎，是研究有關自動控制系統中基本概念、基本原理和基本方法的課程，是高等院校自動化相關專業的核心基礎理論課程。學好自動控制理論對掌握自動化技術有著重要的作用。

本書嚴格按照高等工科院校自動控制原理教學大綱的要求安排全書內容。全書從自動控制的基本概念開始逐漸深入，不僅向讀者介紹了自動控制的經典控制理論，還對現代控制理論做了初步的介紹，讓讀者對現代控制理論有一個基本的了解和認識。在介紹相關原理的時候，盡量做到嚴謹而不枯燥，不僅安排了豐富而詳實的實例，還借助計算機仿真技術來輔助教學。

本書的內容安排如下：

第1章緒論。主要對自動控制理論的發展、自動控制技術中的基本控制方式、自動控制系統的組成、自動控制系統的分類、自動控制系統的基本要求等作了簡單介紹，讓讀者對自動控制有一個初步的認識。

第2章控制系統的數學模型。主要對控制系統分析和設計過程中常采用的微分方程、Laplace變換基礎、傳遞函數、典型環節及其傳遞函數、動態結構圖、動態結構圖的等效變換、自動控制系統的傳遞函數等數學模型進行相應的介紹。本章是控制系統分析與設計的基礎，如果不對分析和設計的控制系統建立數學模型，所有的分析和設計將無從談起。

第3章時域分析法。在確定系統的數學模型后，便可以用幾種不同的方法去分析控制系統的性能，而時域分析法是一種在時間域中對系統進行分析的方法，具有直觀、準確的優點。所以在本章重點介紹了時域分析法中典型輸入信號、階躍響應的性能指標、一階系統的時域分析、二階系統的時域分析、線性定常系統的穩定性、穩態誤差計算等知識。

第4章根軌跡分析法。在分析閉環系統時，為求解閉環極點和閉環零點引入了根軌跡分析法，為此在本章中重點對根軌跡的基本概念、根軌跡繪制的基本規則以及廣義根軌跡等知識進行了相應的介紹。

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用的工程方法，不僅適用于線性定常系統，而且被推廣應用到對某些非線性控制系統的分析中。為此本章重點對頻率特性的基本概念、典型環節頻率特性、系統開環頻率特性的繪制、奈奎斯特穩定判斷依據、穩定裕度和三段頻與系統的關系等知識進行了相應的介紹。

第6章自動控制系統的校正。控制系統的設計問題作為系統分析的逆問題，是根據對系統的要求，選擇合適的控制方案與結構、計算系統參數、選擇裝置，通過仿真或實驗研究，建立起能滿足要求的實用系統。這樣一項復雜的工作，既要考慮技術要求，又要考慮工程方面的要求。而系統的綜合校正是從技術角度出發，用數學方法尋找一個能滿足技術要求的控制系統。因此，本章重點對系統校正的基本概念、工程常用校正控制規律、基于頻率法的串聯校正設計、基于根軌跡法的串聯校正設計以及應用Matlab進行校正設計等知識進行了相應的介紹。

第7章離散控制系統。本章重點對離散控制系統基本概念、信號的采樣與復現、離散控制系統的數學模型、離散系統的性能分析以及應用Matlab進行離散系統分析等知識進行了相應的介紹。

第8章現代控制理論初步。本章主要介紹現代控制理論的基礎知識，包括狀態空間的基本概念、狀態空間的描述、系統的能控性和能觀測性等幾個方面，通過這些方面的學習，可以掌握現代控制理論的初步知識。

本書重點突出、主次分明、結構層次清晰、邏輯嚴謹、語言通俗易懂，內容深入淺出，并附有大量有針對性的實例和練習，易于讀者學習和鞏固。本書既可作為電子信息、機電一體化類專業的本科生、專科生的“自動控制原理”課程專業教材，還可作為高職、高專院校相關專業教材。同時也可作為其他相關專業學生和從事自動控制方面工作的工程技術人員的參考書。

本書由李明富、曾偉一擔任主編，譚飛、王皚軍擔任副主編，林訓超、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；曾偉一編寫了第6章的第5節；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節和第7章的第1、2、4、5、6節；陳立偉編寫了第7章的第3節；李德智編寫了第8章的第3節。

同時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，得到有關高校領導和老師以及中國水利水電出版社的大力支持，并參考了國內外有關作者的書籍或最新成果，在此一并向他們表示感謝。由于時間倉促，書中難免出現錯誤，請讀者批評指正。

為充分展現本書編寫特點，幫助讀者深刻理解本書內涵，進一步提高本書教學的效率，我們建立了本書使用指導聯絡信箱。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，編者會竭誠給你滿意的答復。我們的E-mail：bojia@bojia.net。同時，為方便老師教學和學生學習，本書還配有電子教案和習題參考答案，可從中國水利水電出版社網站免費下載，網址：http://www.waterpub.com.cn/softdown/。

編 者

2005年7月

序
前言
第1章 緒論 1
知識點 1
1.1 引言 1
1.1.1 自動控制技術及應用 1
1.1.2 自動控制理論的發展 2
1.2 自動控制技術中的基本控制方式 3
1.2.1 開環控制 3
1.2.2 閉環控制 4
1.2.3 其他控制方式 7
1.3 自動控制系統的組成 9
1.3.1 自動控制系統基本職能元件 9
1.3.2 自動控制的基本術語 10
1.3.3 方框圖的建立 11
1.4 自動控制系統的分類 12
1.4.1 按給定值分類 12
1.4.2 按系統特性分類 12
1.4.3 按系統信號形式分類 13
1.5 自動控制系統的基本要求 14
1.5.1 穩定性 14
1.5.2 快速性 14
1.5.3 準確性 14
1.6 本課程的性質和任務 15
1.7 本章要點及習題 15
1.7.1 本章要點 15
1.7.2 基礎部分 15
1.7.3 提高部分 16
第2章 控制系統的數學模型 17
知識點 17
2.1 微分方程 17
2.1.1 系統微分方程的建立 17
2.1.2 建立微分方程的步驟 22
2.2 Laplace變換基礎 22
2.2.1 拉氏變換的概念 22
2.2.2 常用函數的拉氏變換 23
2.2.3 拉氏變換的基本定理 23
2.3 傳遞函數 24
2.3.1 傳遞函數的定義 24
2.3.2 傳遞函數的性質 25
2.4 典型環節及傳遞函數 25
2.4.1 比例環節 26
2.4.2 積分環節 26
2.4.3 慣性環節 27
2.4.4 理想微分環節 28
2.4.5 比例微分環節 28
2.4.6 振蕩環節 29
2.4.7 延遲環節 30
2.5 動態結構圖 31
2.5.1 動態結構圖的組成 31
2.5.2 動態結構圖的建立 32
2.6 動態結構圖的等效變換 34
2.6.1 動態結構圖的等效變換法則 34
2.6.2 動態結構圖的等效變換舉例 36
2.7 自動控制系統的傳遞函數 38
2.7.1 閉環控制系統的開環傳遞函數 38
2.7.2 閉環傳遞函數 39
2.8 本章要點及習題 40
2.8.1 本章要點 40
2.8.2 基礎部分 41
2.8.3 提高部分 42
第3章 時域分析法 44
知識點 44
3.1 典型輸入信號 44
3.1.1 階躍函數 44
3.1.2 斜坡函數 45
3.1.3 拋物線函數 45
3.1.4 脈沖函數 46
3.1.5 正弦函數 46
3.2 階躍響應的性能指標 47
3.2.1 上升時間 47
3.2.2 延遲時間 48
3.2.3 超調量 48
3.2.4 調節時間 48
3.2.5 峰值時間 48
3.2.6 穩態誤差 49
3.3 一階系統的時域分析 49
3.3.1 一階系統的數學模型 49
3.3.2 一階系統的單位階躍響應 49
3.3.3 一階系統的單位斜坡響應 50
3.3.4 一階系統的單位脈沖響應 51
3.4 二階系統的時域分析 52
3.4.1 二階系統的數學模型 52
3.4.2 二階系統的工作狀態 52
3.4.3 欠阻尼二階系統的單位階躍響應 53
3.4.4 臨界阻尼二階系統的單位階躍響應 54
3.4.5 典型二階系統的性能指標 55
3.5 線性定常系統的穩定性 56
3.5.1 穩定性定義 57
3.5.2 穩定的條件 57
3.5.3 穩定的判斷依據 59
3.6 穩態誤差計算 62
3.6.1 誤差和穩態誤差 63
3.6.2 穩態誤差的計算 64
3.6.3 系統的類型 65
3.7 本章要點及習題 67
3.7.1 本章要點 67
3.7.2 基礎部分 67
3.7.3 提高部分 68
第4章 根軌跡分析法 70
知識點 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 根軌跡與系統性能 71
4.1.3 閉環零、極點與開環零、極點的關系 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則 73
4.2.1 繪制根軌跡的基本規則 73
4.2.2 根軌跡繪制舉例 78
4.3 廣義根軌跡 82
4.3.1 參數根軌跡 82
4.3.2 零度根軌跡 83
4.4 本章要點及習題 84
4.4.1 本章要點 84
4.4.2 基礎部分 85
4.4.3 提高部分 86
第5章 頻率特性分析法 88
知識點 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 典型環節頻率特性 92
5.2.1 比例環節 93
5.2.2 積分環節 94
5.2.3 慣性環節 95
5.2.4 微分環節 96
5.2.5 一階微分環節 96
5.2.6 二階微分環節 97
5.2.7 振蕩環節 98
5.3 系統開環頻率特性的繪制 100
5.3.1 概略開環幅相曲線的繪制 101
5.3.2 開環對數頻率特性曲線的繪制 103
5.3.3 根據頻率特性確定傳遞函數 105
5.4 奈奎斯特穩定判斷依據 107
5.4.1 系統開環特征式和閉環特征式 107
5.4.2 奈奎斯特穩定判斷依據 107
5.5 穩定裕度 109
5.6 三段頻與系統的關系 111
5.7 本章要點及習題 112
5.7.1 本章要點 112
5.7.2 基礎部分 113
5.7.3 提高部分 114
第6章 自動控制系統的校正 118
知識點 118
6.1 校正的基本概念 118
6.1.1 性能指標 118
6.1.2 系統的校正 119
6.2 工程常用校正控制規律 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 基于頻率法的串聯校正設計 122
6.3.1 基于頻率特性的串聯超前校正 122
6.3.2 基于頻率特性的串聯滯后校正 126
6.3.3 基于頻率特性的串聯滯后-超前校正 129
6.3.4 按期望特性進行串聯校正 131
6.4 基于根軌跡法的串聯校正設計 133
6.4.1 基于根軌跡的串聯超前校正 133
6.4.2 基于根軌跡的串聯滯后校正 137
6.4.3 基于根軌跡的滯后-超前校正 140
6.5 應用MATLAB進行校正設計 144
6.6 本章要點及習題 152
6.6.1 本章要點 152
6.6.2 基礎部分 152
6.6.3 提高部分 153
第7章 離散控制系統 154
知識點 154
7.1 離散控制系統基本概念 154
7.1.1 采樣控制系統 154
7.1.2 數字控制系統 155
7.2 信號的采樣與復現 155
7.2.1 香農采樣定理 155
7.2.2 零階保持器的原理 160
7.3 離散控制系統的數學模型 163
7.3.1 差分方程 163
7.3.2 z變換與反z變換 164
7.3.3 脈沖傳遞函數的定義 168
7.3.4 開環系統的脈沖傳遞函數 169
7.3.5 閉環系統的脈沖傳遞函數 172
7.4 離散系統的性能分析 177
7.4.1 離散系統的穩定性分析 177
7.4.2 離散系統穩定性的代數判斷依據 180
7.4.3 離散系統的穩態誤差 185
7.4.4 離散系統的動態性能 188
7.5 應用MATLAB進行離散系統分析 195
7.6 本章要點及習題 198
7.6.1 本章要點 198
7.6.2 基礎部分 199
7.6.3 提高部分 201
第8章 現代控制理論初步 203
知識點 203
8.1 狀態空間法的基本概念 203
8.1.1 狀態與狀態變量 203
8.1.2 狀態向量與狀態空間 204
8.2 狀態空間描述 205
8.2.1 狀態變量的選取 205
8.2.2 線性系統的狀態空間描述 207
8.3 能控性和能觀測性 207
8.3.1 線性系統的能控性 208
8.3.2 線性系統的能控性判斷依據 208
8.3.3 線性系統的能觀測性 209
8.3.4 線性系統的能觀測性判斷依據 209
8.4 本章要點及習題 210
8.4.1 本章要點 210
8.4.2 基礎部分 210
8.4.3 提高部分 211
參考文獻 212

1. 自動控制——建模•分析•設計 [宮二玲 沈輝 編著]
2. 控制器件（第二版） [鄒逢興 主編]
3. 自動控制原理（第五版）同步輔導及習題全解 [主編 孟浩 劉東星]
4. 自動控制原理實踐教程 [彭學鋒 等編著]
5. 自動控制原理 [林青云 主編]
6. 建筑智能化技術 [謝莉 等編著]