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本书根据普通高等学校的“自动控制原理”教学大纲编写。共9章，分别是：绪论，控制系统数学模型与建模方法，控制系统特性的时域分析法，控制系统特性的根轨迹分析法，控制系统特性的频率域分析法，控制系统校正与综合的经典方法，线性离散控制系统的分析基础，控制系统特性的状态空间分析法，非线性控制系统的分析基础。本书可作为自动化专业的基础课程教材，也可供高等院校工程类专业师生学习和使用，并可作为研究生和工程技术人员进行专业基础研究的参考书。为配合教学，本书配有电子课件、教学大纲、习题答案以及MATLAB／Simulink应用程序等教学资源，有需要的教师可登录机械工业出版社教育服务网（www.cmpedu.com）免费注册后下载，或联系编辑索取（微信：15910938545，电话：010－88379739）。
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目 录 前言第1章 绪论1.1 自动控制系统的工作机理与研究范围1.1.1 自动控制的定义1.1.2 开环控制与闭环控制1.2 自动控制系统分类1.2.1 按信号传递、 处理和描述关系性质的分类1.2.2 按系统数学模型性质的分类1.2.3 按系统结构复杂度的分类1.2.4 按系统结构、 参数和信号共性的分类1.3 控制理论与应用研究的主要问题1.3.1 控制理论研究的典型问题1.3.2 控制系统的基本特性1.3.3 控制系统的参考信号1.3.4 瞬态响应的特性指标1.4 控制理论与应用研究的交叉学科1.5 习题 第 2 章 控制系统数学模型与建模方法2.1 控制系统数学模型的定义与类型2.1.1 数学模型的定义2.1.2 系统模型的类型2.2 数学模型建立的一般步骤2.3 控制系统数学模型的后处理技术2.3.1 微分或差分方程的一般形式2.3.2 非线性模型的线性化2.3.3 模型降阶 2.4 控制系统的传递函数模型2.4.1 传递函数的定义2.4.2 传递函数的零极点2.4.3 传递函数与输入输出关系2.4.4 典型环节及其传递函数2.5 SISO 系统框图与传递函数2.5.1 框图的定义与绘制2.5.2 框图的基本联接形式2.5.3 框图结构变换与简化2.5.4 控制系统的信号流图 2.5.5 梅森 （Mason） 增益公式2.6 MIMO 系统框图与传递函数矩阵2.6.1 传递函数矩阵定义及其输入输出关系2.6.2 MIMO 系统的基本联接形式2.6.3 广义信号流图与 MIMO 系统简化2.6.4 系统耦合的定义与意义2.6.5 系统解耦方法一 ———对角化解耦2.6.6 系统解耦方法二 ———对角优势化解耦2.7 习题第 3 章 控制系统特性的时域分析法 3.1 时域分析法概述3.2 系统对输入的稳态误差分析3.2.1 稳态误差定义及其指标3.2.2 系统按积分环节数分类3.2.3 稳态误差的计算方法3.2.4 各型系统稳态误差计算与比较3.2.5 稳态误差的物理意义3.2.6 稳态误差与零极点的关系3.3 系统对扰动输入的稳态误差分析3.4 系统特性变化的稳态误差分析3.4.1 系统静特性变化对输出响应的影响3.4.2 一般系统变化对输出响应的影响3.4.3 灵敏度定义与分析3.5 系统对输入激励的瞬态响应分析3.5.1 瞬态响应的若干术语3.5.2 输入输出的时域卷积分关系3.5.3 典型环节的瞬态响应计算3.5.4 二阶系统瞬态响应指标计算3.5.5 高阶系统瞬态分析3.6 系统对输入的动态误差分析3.6.1 动态误差系数的定义3.6.2 动态误差的物理意义3.7 控制系统的时间区间误差性能简介3.8 系统稳定性概念及其代数判据3.8.1 系统稳定性的定义及意义3.8.2 线性定常系统稳定性与传递函数的关系3.8.3 线性定常系统稳定性的代数判据3.9 系统传递函数的模型降阶3.9.1 模型降阶的 Pade 近似法3.9.2 模型降阶的 Routh－Pade 近似法3.9.3 模型降阶的 Routh 直接近似法3.10 习题 第 4 章 控制系统特性的根轨迹分析法4.1 根轨迹定义及其基本性质4.1.1 根轨迹的定义4.1.2 根轨迹的基本性质4.2 系统根轨迹的绘制方法一 ———图解法4.2.1 图解法的基本规则4.2.2 图解法绘制根轨迹的一般步骤4.3 系统根轨迹的绘制方法二 ———解析法4.3.1 根轨迹方程的 δ－ω 方程转化4.3.2 根轨迹方程的曲线解析形式4.3.3 典型系统根轨迹的 δ－ω 解析式4.3.4 解析法中根轨迹开环增益Ｋ的确定4.3.5 叠加性在高阶系统根轨迹绘制中的应用4.4 系统根轨迹的绘制方法三 ———计算机辅助绘制法4.4.1 直接法一 ———基于根轨迹方程的直接法4.4.2 直接法二 ———基于解析法的直接法4.4.3 直接法三 ———基于 Routh 阵列的直接法4.4.4 间接法———数值积分法4.5 几类特殊控制系统的根轨迹及其绘制4.5.1 正反馈系统的根轨迹绘制4.5.2 多参变量的根轨迹簇4.5.3 非标准形式参量系统的根轨迹4.5.4 含时滞环节系统的根轨迹4.5.5 含分布时滞系统的根轨迹4.6 习题 第 5 章 控制系统特性的频率域分析法5.1 频率域分析法概述5.2 系统频率特性定义及其与传递函数的关系5.2.1 系统频率特性定义5.2.2 系统频率特性与传递函数的关系5.2.3 系统的复域、 时域和频域传递关系5.2.4 频率特性与基本特性的分区关系5.3 系统频率特性分析法一 ———极坐标图5.3.1 极坐标图的定义与绘制5.3.2 典型环节的极坐标图5.3.3 一般系统的极坐标图绘制5.3.4 极坐标图与小相位系统5.3.5 极坐标图与 Nyquist 稳定判据5.3.6 复放缩 Nyquist 稳定判据5.3.7 极坐标图与系统的稳定裕量5.3.8 关于极坐标图的绕向问题5.3.9 传递函数模型降阶的频域方法 5.3.10 传递函数模型辨识的频域方法5.3.11 二阶系统频域性能指标与阻尼系数的关系5.4 系统频率特性分析法二 ———对数坐标图5.4.1 对数坐标图的定义与绘制5.4.2 典型环节频率特性的对数坐标图5.4.3 一般系统的对数坐标图绘制5.4.4 对数坐标图应用一 ———稳态误差的读图计算5.4.5 对数坐标图应用二 ———稳定分析与稳定裕量读图计算5.4.6 对数坐标图应用三———传递函数模型的读图辨识与降阶5.4.7 对数坐标图应用四———瞬态特性的读图计算5.4.8 小相位系统的对数坐标图性质5.5 习题第 6 章 控制系统校正与综合的经典方法6.1 系统校正与综合的定义与问题6.1.1 系统综合的定义和主要问题6.1.2 控制系统综合的经典方法6.2 典型校正装置及其特性6.2.1 微分校正装置6.2.2 积分校正装置6.2.3 积分－微分校正装置6.2.4 常见无源校正装置6.2.5 常见有源校正装置6.3 系统校正的根轨迹综合设计法6.3.1 附加零极点对根轨迹的影响6.3.2 串联微分校正装置的根轨迹设计6.3.3 串联积分校正装置的根轨迹设计6.3.4 串联积分－微分校正装置的根轨迹设计6.3.5 串联校正装置的直接综合法6.4 系统校正的频域综合设计法6.4.1 频域综合法的基本步骤6.4.2 各种时域指标与频域指标的关系6.4.3 串联校正装置的对数坐标图综合法6.4.4 并联校正装置的对数坐标图综合法6.5 习题 第 7 章 线性离散控制系统的分析基础7.1 离散控制系统的研究范围7.2 离散控制系统的基本概念7.2.1 采样控制系统的基本环节与结构7.2.2 采样过程及其脉冲序列表现7.2.3 周期采样与采样定理7.2.4 保持器与模拟信号恢复7.3 离散信号ｚ－变换及其基本性质7.3.1 ｚ－变换的定义7.3.2 ｚ－变换函数的求法7.3.3 ｚ－变换的基本性质7.3.4 ｚ－逆变换及其求法7.4 采样控制系统的数学模型7.4.1 差分方程及其解法7.4.2 脉冲传递函数7.5 离散控制系统的稳定性分析7.5.1 ｓ－平面与 ｚ－平面的映射关系7.5.2 离散控制系统的稳定判据7.5.3 离散控制系统稳定性的 Routh 判据7.5.4 离散控制系统稳定性的Schur－Cohn 判据7.5.5 离散控制系统稳定性的 Ｊury 判据7.6 离散控制系统的稳态误差分析7.7 离散控制系统的瞬态特性分析7.7.1 离散控制系统极点和瞬态响应的关系7.7.2 离散控制系统瞬态特性的主导极点7.8 离散控制系统的校正与综合设计7.8.1 离散控制系统校正的概念与方法7.8.2 校正装置的设计方法7.8.3 少拍系统的特性与设计7.9 离散控制系统的复域／频域分析7.9.1 离散控制系统分析的根轨迹法7.9.2 离散控制系统稳定性的复放缩 Nyquist 判据7.9.3 离散控制系统的频域特性及其性质7.10 习题第 8 章 控制系统特性的状态空间分析法 8.1 状态空间的基本概念与模型建立8.1.1 状态空间的基本概念8.1.2 状态空间模型的建立8.1.3 状态空间模型的主要标准型8.1.4 几类特殊系统的状态空间模型8.2 状态方程组求解与状态转移矩阵8.2.1 线性时不变状态方程组的解8.2.2 线性定常系统状态转移矩阵的概念、性质和求取方法8.2.3 线性定常系统状态方程求解与示例8.3 状态空间模型与传递函数模型的关系8.3.1 状态空间模型与传递函数 （或传递函数矩阵）8.3.2 同一传递函数的不同状态空间实现的关系 8.4 基于状态空间模型的稳定性分析8.4.1 状态稳定性的几个数学概念8.4.2 系统稳定性判定的 Lyapunov 第二法8.4.3 线性定常状态空间模型的稳定性8.5 系统状态的能控性和能观性8.5.1 能控性的定义与判据8.5.2 能观性的定义与判据8.5.3 能控性与能观性的对偶性8.5.4 能控性／能观性的辐角原理判据8.6 习题第 9 章 非线性控制系统的分析基础9.1 非线性系统概述9.1.1 非线性及其基本特性9.1.2 典型非线性环节9.1.3 非线性系统的主要特性9.1.4 非线性系统的建模方法9.2 非线性系统的时域分析法———相平面法9.2.1 相平面的定义与基本概念9.2.2 相平面图的绘制9.2.3 二阶线性定常系统的相平面分析9.2.4 二阶非线性系统的相平面分析9.3 非线性系统的频域分析法———描述函数法9.3.1 描述函数的定义与基本性质9.3.2 非线性环节描述函数的计算9.3.3 基于描述函数法的非线性系统稳定分析9.4 Luré 非线性系统与稳定性分析9.4.1 Luré 非线性系统描述和基本概念9.4.2 Luré 非线性系统的经典圆盘稳定判据9.4.3 基于复放缩 Nyquist 轨迹的圆盘稳定判据9.5 习题附录 常用函数的Laplace 变换／ｚ－变换对照表 参考文献
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前 言 本书是依照 “自动控制原理” 教学大纲（河海大学2020年版）编写的，是面向本科自动化专业的基础教程，也可作为其他工程类专业的基础课教材，能够满足各专业后续课程对自动控制基本概念、基础理论和技术方法的学习需要。本书以经典控制原理为主线，既是笔者教学工作的回顾与总结，也是相关基础研究的拔萃与简介，包括了一些控制理论的新进展与深化，特别是关于复杂控制系统的复域／频域分析的特色研究，可作为高年级本科生、研究生和工程技术人员进行专业基础研究的参考书。本书主要内容和教学目的是：使学生明晰与理解一般控制系统的开环／闭环结构，反馈机理及作用；能够分析和明确一般机械、电气工程类控制系统中涉及的系统建模与控制问题设定；掌握自动控制系统的稳定性、稳态特性、暂态特性等基本性能的定义与意义，熟悉数理解析方法与处理技术步骤；掌握控制系统特性分析与设计的时域法、频域法、复域法等经典方法及其应用基础；学习现代线性控制系统分析与设计的基本思想与数学基础，明确其特 点与优势；理解自动控制系统校正与综合的初步概念和方法；了解涉及非线性环节、采样或离散数据及其算法的复杂控制系统的建模及其特性描述，理解其关键问题，熟悉分析与设计的时域法、频域法、复域法的理论基础与技术步骤。本书虽然以介绍经典控制原理为主，但避免内容过度简洁和罗列事实，力图使控制问题的定义、分析和结论具有一定深度与广度，克服内容浅尝辄止和数理逻辑跳跃的教学不足，方便教师的教学与指导，助力学生的自学与探究。总之，为满足自动化专业基础课教学要求，同时适应多层次的读者群，反映专业与学科发展的趋势与现状，本书关注以下几个方面。● 概念清晰，条理明确，分析细致，示例丰富，便于读者自主学习。● 对概念、定义、公式、定理等，考虑高年级本科生的理解程度，给出数学描述与论证，使学生知其然，更知其所以然，养成理论性思考和对问题本质探究的习惯。● 从经典方法陈述到现代系统理论概括，将时域法、频域法、复域法融合交叉，助力学生观察控制本质，开阔专业视野，融会数理体系，把握方法论本质。● 涉及一些有理论深度和方法难度的内容，如曲线拟合线性化、模型降阶、系统辨识、解耦及鲁棒稳定性等复杂工程问题，为学生深度学习提供目标和资料，使之能获得一定的实际应用学习与分析能力。本书共9章，参考学时为64～96课时。周军、段朝霞主编，并负责统稿；王冰、钱惠敏、卢新彪、杨启文、侯世玺、屈波、黄浩乾、邵振参编。严甜甜和刘欣参与了文字整理和图表绘制等工作。由于编者水平有限，书中难免存在错误与疏漏之处，恳请读者批评指正。编 者 2021年5月，于河海大学江宁校区
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