本書介紹自動控制原理的基本概念和方法，包括經典控制理論和現代控制理論的主要內容，適合作為信息學科本科學生平臺課程教材和非自動控制專業理工科學生的教材。全書共9章：第1章 緒論，介紹自動控制系統的基本概念、定義、術語；第2章 控制系統的數學模型，介紹連續系統的時域模型、復域模型、狀態空間描述；第3章 控制系統的時域分析，對系統動態性能、穩態性能和穩定性進行分析的方法作了詳細的討論；第4章 根軌跡法，介紹根軌跡的繪制方法和利用根軌跡對系統進行分析的基本方法；第5章 控制系統的頻域分析，介紹線性系統頻率特性的概念和頻域分析方法；第6章 線性控制系統設計與綜合，介紹線性系統設計與綜合的基本概念和常用的設計方法；第7章 采樣系統分析，介紹了z變換、脈沖傳遞函數以及離散系統的分析方法；第8章 狀態空間分析設計，討論了線性定常系統的狀態空間分析和基本設計方法；第9章 MATLAB在控制系統分析中的應用，介紹MATLAB在控制系統設計工具箱中的主要函數和應用實例。各學校和專業可根據實際情況，選擇有關章節組織教學。
本書的特點是內容精煉，重點突出，強調基本概念、基本原理的掌握與應用，特別適合非自動化專業本科生自動控制原理教學的要求。
王敏，華中科技大學自動控制系教授，中國人工智能學會機器人專業委員會秘書長中國電 工技術學會高校工業自動化教育專業委員會委員
第1章 緒論
1.1 自動控制的基本概念
1.1.1 基本概念
1.1.2 開環控制與閉環控制的實例
1.2 自動控制理論的發展
1.3 控制系統的分類
1.4 對控制系統的基本要求
本章小結
習題1
第2章 控制系統的數學模型
2.1 基本概念
2.2 時域模型——微分方程
2.2.1 建立系統或元件微分方程的步驟
2.2.2 典型系統的微分方程
2.2.3 非線性方程線性化方法 第1章 緒論
1.1 自動控制的基本概念
1.1.1 基本概念
1.1.2 開環控制與閉環控制的實例
1.2 自動控制理論的發展
1.3 控制系統的分類
1.4 對控制系統的基本要求
本章小結
習題1
第2章 控制系統的數學模型
2.1 基本概念
2.2 時域模型——微分方程
2.2.1 建立系統或元件微分方程的步驟
2.2.2 典型系統的微分方程
2.2.3 非線性方程線性化方法
2.3 復域模型——傳遞函數
2.3.1 傳遞函數的定義
2.3.2 傳遞函數的性質和物理意義
2.3.3 典型環節的傳遞函數
2.3.4 傳遞函數的表示方式和術語
2.4 控制系統方塊圖
2.4.1 方塊圖簡介
2.4.2 方塊圖的化簡
2.4.3 閉環系統的方塊圖和傳遞函數
本章小結
習題2
第3章 線性系統的時域分析
3.1 系統的穩定性分析
3.1.1 穩定的概念
3.1.2 穩定的充要條件
3.1.3 勞斯穩定判據
3.2 二階系統的動態性能分析
3.2.1 典型輸入信號
3.2.2 動態性能指標
3.2.3 二階系統的時域響應
3.2.4 高階系統的時域響應
3.3 系統穩態性能分析
3.3.1 穩態誤差的定義
3.3.2 輸入信號作用下系統的穩態誤差
3.3.3 擾動信號作用時系統的穩態誤差
本章小結
習題3
第4章 根軌跡法
4.1 根軌跡的基本概念
4.2 繪制根軌跡的基本規則
4.3 控制系統根軌跡的繪制
4.4 廣義根軌跡
4.4.1 以非K*為變參數的根軌跡
4.4.2 正反饋系統的根軌跡
4.4.3 非最小相位系統的根軌跡
4.5 線性系統的根軌跡分析方法
4.5.1 主導極點的概念
4.5.2 增加開環零極點對根軌跡的影響
本章小結
習題4
第5章 線性系統的頻域分析法
5.1 線性系統的頻率響應
5.2 頻率特性的圖形表示
5.2.1 幅相頻率特性曲線
5.2.2 對數頻率特性曲線
5.3 奈奎斯特穩定性判據
5.3.1 奈奎斯特穩定判據的數學基礎
5.3.2 奈奎斯特穩定判據
5.4 控制系統的相對穩定性
5.4.1 相對穩定性
5.4.2 穩定裕度的求取
5.5 頻域響應分析
5.5.1 頻域性能指標
5.5.2 頻域指標與時域指標的關系
本章小結
習題5
第6章 線性系統的校正
6.1 系統設計與校正的概念
6.1.1 系統性能指標
6.1.2 校正的實質
6.1.3 校正方式
6.1.4 對數幅頻特性的形狀對系統性能指標的影響
6.2 常用校正裝置
6.2.1 無源超前網絡
6.2.2 無源滯后網絡
6.2.3 滯后-超前無源網絡
6.3 串聯校正的頻率法設計
6.3.1 串聯超前校正
6.3.2 串聯滯后校正
6.3.3 串聯滯后-超前校正
6.4 PID調節器
6.4.1 PID的基本控制作用
6.4.2 PID控制器的參數確定
本章小結
習題6
第7章 采樣系統分析
7.1 引言
7.2 信號的采樣與保持
7.2.1 采樣信號的數學表示
7.2.2 采樣信號的頻譜分析
7.2.3 采樣定理
7.2.4 信號的保持
7.3 z變換
7.3.1 z變換的定義
7.3.2 z變換的求法
7.3.3 z變換的性質
7.3.4 z反變換
7.4 采樣系統的脈沖傳遞函數
7.4.1 脈沖傳遞函數的定義和意義
7.4.2 脈沖傳遞函數的求法
7.4.3 開環脈沖傳遞函數
7.4.4 閉環脈沖傳遞函數
7.5 采樣系統分析
7.5.1 采樣系統的穩定性
7.5.2 采樣系統的穩態性能
7.5.3 采樣系統的動態性能
本章小結
習題7
第8章 狀態空間分析設計
8.1 狀態空間模型
8.1.1 狀態變量表達式相關概念
8.1.2 由微分方程建立狀態變量表達式
8.1.3 狀態變量表達式和傳遞函數的關系
8.2 狀態空間的線性變換
8.2.1 線性變換
8.2.2 線性變換的不變性
8.2.3 線性系統的規范化
8.3 線性定常系統狀態方程的解
8.3.1 線性定常系統齊次方程的解
8.3.2 狀態轉移矩陣的性質
8.3.3 狀態轉移矩陣的求取
8.3.4 非齊次狀態方程的解
8.4 線性連續系統的可控性與可觀測性分析
8.4.1 線性連續系統的可控性與可觀測性的概念
8.4.2 線性連續系統的可控性判據
8.4.3 線性定常連續系統的可觀測性判據
8.4.4 通過線性變換將單輸入系統化為可控標準型和可觀測標準型
8.4.5 對偶原理
8.4.6 傳遞函數與可控性、可觀測性的關系
8.5 線性定常系統的狀態反饋和極點配置
8.5.1 狀態反饋和輸出反饋
8.5.2 狀態反饋進行極點的任意配置
本章小結
習題8
第9章 MATLAB在控制系統分析中的應用
9.1 基于MATLAB的數學建模
9.1.1 建立傳遞函數模型的MATLAB相關函數
9.1.2 方塊圖的標準連接的MATLAB相關函數
9.1.3 傳遞函數的零極點求取的MATLAB相關函數
9.2 基于MATLAB的時域分析
9.2.1 常用函數
9.2.2 應用舉例
9.3 基于MATLAB的根軌跡分析
9.3.1 常用函數
9.3.2 應用舉例
9.4 基于MATLAB的頻域分析和設計
9.4.1 常用函數
9.4.2 應用舉例
9.5 基于MATLAB的采樣系統分析
9.5.1 常用函數
9.5.2 應用舉例
9.6 狀態空間分析
9.6.1 常用函數
9.6.2 應用舉例
參考文獻
長期以來，自動控制科學對整個科學技術的理論和實踐做出了巨大貢獻，為社會發展帶來了巨大的利益。自動控制理論作為一門涉及多學科的科學，已廣泛應用到電氣、機械、化工、冶金、航空航天、核反應等工程領域，并進一步擴展到生命科學、社會發展和經濟、金融等工程領域以外的范圍，滲透到人類生活的各個方面。理論、技術的發展與應用，多學科的交叉與融合，使得人類利用自動控制技術已經并正在把許多夢想變成現實。
自動控制原理是自動控制技術的基礎理論，是一門理論性較強的工程科學。從20世紀40年代經典控制理論體系建立至今，自動控制技術一直是伴隨著生產實際和社會需要發展起來的，其理論在實際應用和與其他相關學科交叉滲透中日臻完善并不斷發展和創新。隨著現代科學的日新月異，自動控制理論已經成為應用最為廣泛的學科之一，其發展前景和潛力是無可限量的。
自動控制原理是高等學校控制理論與控制工程專業的主干課程，目前國內各高校編寫出版的相應教學用書已有多本，這類教材主要適應自動化專業本科生的教學需要，課內教學一般為100多學時。隨著信息化、自動化技術的發展，許多高校把自動控制原理作為信息大類專業的平臺課程，同時，機械、交通、能源、化工等專業也都開設了自動控制原理課程，因此，針對非自動化專業的教學需要，急需編寫適合少學時數教學需要的自動控制原理教材。本書的編寫目的正是為了適應工科院校非自動化專業本科生自動控制理論教學和信息學科平臺課程的教學需要，特別適合作為少學時數自動控制原理的教學用書。本書第1、2版分別于2003年、2008年由化學工業出版社出版，第3版是在前2版的基礎上，根據教育教學需要、學科發展，并廣泛收集廣大師生的反饋意見基礎上，修訂而成的。
本書旨在通過對非自動化專業本科生的課堂教學，使學生能理解和掌握自動控制的基本原理、基本技術和基本方法，拓寬學生的思路和視野，使其能將自動控制的理論與方法運用到各自所學專業之中，提高學生的理論知識水平和實際應用能力。
本書涵蓋了自動控制理論的主要內容和基本概念，全書共9章。第1章在介紹自控制理論和控制系統的基本概念和定義的基礎上，通過實例說明了自動控制系統的組成和控制過程，闡述了自動控制理論發展的各個階段，提出了控制系統的分類方法和對系統控制的一般要求。第2章主要介紹了線性系統數學模型的描述和建立方法，包括時域模型——微分方程，以及在經典控制理論中使用最為廣泛的一種復域模型——傳遞函數，基于傳遞函數的概念，介紹了用方塊圖表示系統結構的“圖解模型”和通過方塊圖化簡求取系統傳遞函數的方法。第3章對線性系統時域分析的基本方法進行了闡述，主要討論了系統穩定性、瞬態性能和穩態性能分析，介紹了勞斯穩定判據、二階系統性能指標分析和計算，以及穩態誤差求取。第4章介紹了一種在工程上對系統進行分析的圖解方法——根軌跡法，給出了繪制根軌跡圖的基本規則和利用根軌跡對系統進行分析的基本方法。第5章介紹了線性系統頻率特性的概念，頻率特性的圖形表示，著重討論了頻域中系統穩定性分析方法——奈奎斯特穩定判據，介紹了相對穩定性的概念、穩定裕度，以及頻域指標的計算。第6章介紹線性系統校正的基本概念、校正原理和方法步驟，常用的校正裝置及其特性，著重討論了PID控制器的設計及其在系統校正中的作用。第7章討論了離散系統的基本理論和分析方法，介紹了采樣定理、z變換及其性質，給出了脈沖傳遞函數的概念，在此基礎上，對采樣系統的穩定性、穩態性能和動態性能的分析方法做了介紹。第8章介紹了現代控制理論的有關內容，主要包括狀態空間模型的建立、系統的可控性和可觀測性，以及線性系統的設計問題——狀態反饋和極點配置等。第9章介紹了基于MATLAB的控制系統分析與設計，通過實例，簡明扼要地介紹了MATLAB的控制系統工具箱函數，以及系統分析與設計的程序編寫，為學生掌握和運用自動控制原理提供了方便。
本書由華中科技大學王敏教授和秦肖臻副教授編寫。其中第1、3、4、5章由王敏編寫，第2、6、7、8、9章由秦肖臻編寫。建議將第1、2、3、5、6、7章作為基本教學內容，適合課堂教學約48學時數，不同專業也可根據各自專業的特點和需要選擇其中部分內容組織教學。
限于編者水平和時間，書中如有錯誤和不妥之處，請讀者不吝指正。
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