自動(dòng)控制原理
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自動(dòng)控制原理
自動(dòng)控制原理
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高等學(xué)校教材
自 動(dòng) 控 制 原 理
程! 鵬! 主編
高等教育出版社
書書書內(nèi)容提要
! ! 本書列入北京市"##"年高等教育精品教材計(jì)劃。
書中全面系統(tǒng)地介紹了自動(dòng)控制理論的基本內(nèi)容和分析、研究方法，包括系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，分析系統(tǒng)的時(shí)
域法、根軌跡法和頻率域方法；線性系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)；采樣系統(tǒng)理論；非線性系統(tǒng)理論，包括相平面法和描述函數(shù)
法；現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)，包括狀態(tài)方程、可控性與可觀測性、極點(diǎn)配置和狀態(tài)觀測器、系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題；附錄中有
拉氏變換、矩陣相似對角化和約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)形、$%&’%(應(yīng)用的基礎(chǔ)知識。每章均有適當(dāng)?shù)牧?xí)題，書末給出了部分習(xí)題
解答。
本書可作為高等學(xué)校電子信息科學(xué)類、儀器儀表類、電氣信息類、自動(dòng)控制類一些專業(yè)的教材，也可作為成人
教育和繼續(xù)教育的教材，還可以作為科技人員參考用書。
! 圖書在版編目（!"#）數(shù)據(jù)
! 自動(dòng)控制原理)程鵬主編*—北京：高等教育出版社，
"##+*,
! -.(/ , 0#1 0#22344 02
! !*自***"*程***#*自動(dòng)控制理論0高等學(xué)校
0教材! $*&52+
! 中國版本圖書館6-5數(shù)據(jù)核字（"##+）第#1+3+4 號
出版發(fā)行! 高等教育出版社! ! ! ! ! ! ! ! ! 購書熱線! #2#041#71733
社! ! 址! 北京市西城區(qū)德外大街1號 免費(fèi)咨詢! 3##032#0#783
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開! ! 本! ,3,D84#! 2)24 版! ! 次! ! ! 年! 月第2版
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本書如有缺頁、倒頁、脫頁等質(zhì)量問題，請到所購圖書銷售部門聯(lián)系調(diào)換。
版權(quán)所有! 侵權(quán)必究前! ! 言
目前，自動(dòng)控制技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸和國防建設(shè)。指導(dǎo)自動(dòng)控制系統(tǒng)
分析和設(shè)計(jì)的控制理論也有了很大的發(fā)展，它的概念、方法和體系已經(jīng)滲透到許多學(xué)科領(lǐng)域。在
"# 世紀(jì)$# 和%# 年代中發(fā)展起來的經(jīng)典控制理論至今仍被成功地應(yīng)用于單變量定常系統(tǒng)的分析
和設(shè)計(jì)。在"# 世紀(jì)%# 年代末、"# 世紀(jì)&# 年代初發(fā)展起來的狀態(tài)空間方法具有更廣泛的適用性，
它可以用于多變量、定?；驎r(shí)變系統(tǒng)，所討論的問題更復(fù)雜。為了適應(yīng)高等工業(yè)院、校本科生教學(xué)
的需要，根據(jù)相應(yīng)的教學(xué)大綱和學(xué)時(shí)安排，選取了經(jīng)典控制理論和狀態(tài)空間方法基礎(chǔ)部分作為內(nèi)
容，編寫本教材。本書可供電子信息科學(xué)類、儀器儀表類、電氣信息類、自動(dòng)控制類一些專業(yè)選用。
本教材在經(jīng)典控制理論和狀態(tài)空間方法這兩部分內(nèi)容的處理上，遵循“傳統(tǒng)模式”，即將經(jīng)典
理論與現(xiàn)代控制理論分開編寫，主要是考慮到傳統(tǒng)模式已經(jīng)證明行之有效，并且可以繼續(xù)采用。另
外，這兩方面內(nèi)容的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不同，處理問題的思路不同，混編在一起有教學(xué)上的不便。為了彌補(bǔ)
傳統(tǒng)編寫模式的不足，建議在講現(xiàn)代控制理論時(shí)能有意識地多聯(lián)系經(jīng)典控制理論。
本書安排了九章內(nèi)容。一至六章介紹經(jīng)典線性理論，包括時(shí)域法、根軌跡法和頻率域方法。第
一章介紹自動(dòng)控制的一般概念，首先從人工控制的過程引出自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)有的職能和部件，從而
引出反饋系統(tǒng)的概念與組成特點(diǎn)，而不是通過大量實(shí)例的羅列而引出。然后舉三個(gè)例子介紹開環(huán)
控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制等概念。重點(diǎn)是反饋系統(tǒng)的原理、組成部件的闡述。動(dòng)態(tài)過程和對系統(tǒng)
的性能要求只介紹初步概念。
第二章介紹自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，包括微分方程、傳遞函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)。強(qiáng)調(diào)了用線
性常系數(shù)微分方程描述的系統(tǒng)特點(diǎn)：疊加原理、時(shí)不變性、物理實(shí)現(xiàn)性；講梅森公式時(shí)，直接使用動(dòng)
態(tài)結(jié)構(gòu)圖，不引入信號流圖，從而使梅森公式與方框圖融成一體。
第三章介紹時(shí)域分析法，包括一、二階系統(tǒng)的分析與計(jì)算，系統(tǒng)穩(wěn)定性分析（勞思判據(jù)、赫爾維
茨判據(jù)），穩(wěn)態(tài)誤差分析、計(jì)算和一般規(guī)律。講解穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，強(qiáng)調(diào)了拉氏變換終值定理的使用條
件和系統(tǒng)穩(wěn)定性要求的關(guān)系，在講消去穩(wěn)態(tài)誤差的條件時(shí)，強(qiáng)調(diào)了內(nèi)模原理與穩(wěn)定性要求，使得數(shù)
學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性與物理概念一致。
第四章介紹根軌跡法，包括根軌跡方程與根軌跡的繪制法則，應(yīng)用主導(dǎo)極點(diǎn)、偶極子等概念近
似分析系統(tǒng)的性能，廣義根軌跡等內(nèi)容。在根軌跡繪制法則中，將分離角的求法總結(jié)為簡單、便于
使用的法則。分析系統(tǒng)的性能強(qiáng)調(diào)用主導(dǎo)極點(diǎn)、偶極子等概念，不羅列繁瑣的近似估算公式。
第五章介紹頻率域方法，包括頻率特性及其圖示方法、物理意義，奈奎斯特判據(jù)和對數(shù)判據(jù)。
為了加強(qiáng)系統(tǒng)頻帶的概念介紹了連續(xù)信號的頻譜。開、閉環(huán)頻率特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系，以定性分
析的物理概念為主。
第六章介紹控制系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)，包括串聯(lián)校正、反饋校正（超前校正、滯后校正、滯后’超前
校正、()*調(diào)節(jié)器）、復(fù)合校正。串聯(lián)校正主要講定性分析的物理概念，串聯(lián)校正的理論設(shè)計(jì)方法另
節(jié)處理。反饋校正的講法中汲取了最初反饋放大器的結(jié)果，也充分吸收了"# 世紀(jì)+# 年代多變量
頻率域的結(jié)果，使得與后續(xù)結(jié)果一致。復(fù)合控制一節(jié)中包含了多種形式的初償方案。
第七章介紹非線性系統(tǒng)理論，包括相平面法和描述函數(shù)法。
第八章介紹采樣系統(tǒng)理論，包括采樣定理、! 變換、脈沖傳遞函數(shù)、系統(tǒng)分析等內(nèi)容；穩(wěn)定性判
據(jù)主要介紹朱利判據(jù)；性能分析主要講閉環(huán)極點(diǎn)位置與瞬態(tài)分量的對應(yīng)關(guān)系；數(shù)字校正中講最小拍
控制。
第九章介紹了現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)，包括狀態(tài)方程、可控性與可觀測性、極點(diǎn)配置和狀態(tài)觀測器、
系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題。集中講述單變量線性時(shí)不變系統(tǒng)，對所有定理都給出了符合學(xué)生基礎(chǔ)的嚴(yán)格證明，使論述嚴(yán)謹(jǐn)，加強(qiáng)了邏輯思維與抽象思維的訓(xùn)練。
書末有三個(gè)附錄，分別為拉普拉斯變換、矩陣相似對角化和約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)形、!"#$"% 語言與自動(dòng)
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。附錄部分應(yīng)根據(jù)不同專業(yè)學(xué)生的需要，在課程教學(xué)合適的時(shí)間安排一定學(xué)時(shí)講解。
為了教學(xué)的方便，每章均有適當(dāng)?shù)牧?xí)題，書末附有主要練習(xí)題的簡單答案。
本書在取材和闡述方式上，注意了工程性，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)融合一體，貫穿
全書。在內(nèi)容上貫徹了刪繁就簡的原則，避免過分地引申和擴(kuò)充。在敘述問題時(shí)，力求概念明確、
層次分明和遵循教學(xué)順序。在例題和習(xí)題的編排上考慮了不同專業(yè)的背景，以供不同專業(yè)的教學(xué)
選用。由于前六章與第七章、第八章、第九章的內(nèi)容有相對獨(dú)立性，刪除一些章節(jié)后可供其他非控
制類專業(yè)或成人教育和繼續(xù)教育選用。
本教材由程鵬主編，參加編寫的有：祁慧珍（第一、五章）、于鳳仙（第二、四章、附錄!）、趙平
（第三章）、王艷東（第四章、附錄"）、邱紅專（第八章）、程鵬（第六、七、九章、附錄#），全書習(xí)題由
邱紅專提供了答案。由于本書是在北京航空航天大學(xué)內(nèi)部使用教材的基礎(chǔ)上修訂的，十余年來曾
經(jīng)多次修改，除了前述同仁外，沈程智、汪聲遠(yuǎn)和王紀(jì)文等都曾經(jīng)參加過本書的籌劃和提供過初稿，
李昌隆為本書提供了圖稿。
本教材在編寫過程中參考了許多院校專家們編寫的教科書和習(xí)題集，在此表示感謝。
北京航空航天大學(xué)
程& 鵬
’((’ 年)’ 月目! ! 錄
第一章! 自動(dòng)控制的一般概念 …………………………………………………………………………………… "
#"$"! 自動(dòng)控制的任務(wù) ………………………………………………………………………………………… "
#"$%! 自動(dòng)控制的基本方式 …………………………………………………………………………………… %
#"$&! 對控制系統(tǒng)的性能要求………………………………………………………………………………… ""
習(xí)題 ……………………………………………………………………………………………………………… "&
第二章! 自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 …………………………………………………………………………… "’
#%$"! 控制系統(tǒng)微分方程的建立……………………………………………………………………………… "(
#%$%! 非線性微分方程的線性化……………………………………………………………………………… %"
#%$&! 傳遞函數(shù)………………………………………………………………………………………………… %)
#%$)! 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖……………………………………………………………………………………………… &)
#%$’! 系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)…………………………………………………………………………………… ’%
#%$(! 典型反饋系統(tǒng)的幾種傳遞函數(shù)………………………………………………………………………… ’)
習(xí)題 ……………………………………………………………………………………………………………… ’*
自 動(dòng) 控 制 原 理
程! 鵬! 主編
高等教育出版社
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! ! 本書列入北京市"##"年高等教育精品教材計(jì)劃。
書中全面系統(tǒng)地介紹了自動(dòng)控制理論的基本內(nèi)容和分析、研究方法，包括系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，分析系統(tǒng)的時(shí)
域法、根軌跡法和頻率域方法；線性系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)；采樣系統(tǒng)理論；非線性系統(tǒng)理論，包括相平面法和描述函數(shù)
法；現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)，包括狀態(tài)方程、可控性與可觀測性、極點(diǎn)配置和狀態(tài)觀測器、系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題；附錄中有
拉氏變換、矩陣相似對角化和約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)形、$%&’%(應(yīng)用的基礎(chǔ)知識。每章均有適當(dāng)?shù)牧?xí)題，書末給出了部分習(xí)題
解答。
本書可作為高等學(xué)校電子信息科學(xué)類、儀器儀表類、電氣信息類、自動(dòng)控制類一些專業(yè)的教材，也可作為成人
教育和繼續(xù)教育的教材，還可以作為科技人員參考用書。
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目前，自動(dòng)控制技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸和國防建設(shè)。指導(dǎo)自動(dòng)控制系統(tǒng)
分析和設(shè)計(jì)的控制理論也有了很大的發(fā)展，它的概念、方法和體系已經(jīng)滲透到許多學(xué)科領(lǐng)域。在
"# 世紀(jì)$# 和%# 年代中發(fā)展起來的經(jīng)典控制理論至今仍被成功地應(yīng)用于單變量定常系統(tǒng)的分析
和設(shè)計(jì)。在"# 世紀(jì)%# 年代末、"# 世紀(jì)&# 年代初發(fā)展起來的狀態(tài)空間方法具有更廣泛的適用性，
它可以用于多變量、定?；驎r(shí)變系統(tǒng)，所討論的問題更復(fù)雜。為了適應(yīng)高等工業(yè)院、校本科生教學(xué)
的需要，根據(jù)相應(yīng)的教學(xué)大綱和學(xué)時(shí)安排，選取了經(jīng)典控制理論和狀態(tài)空間方法基礎(chǔ)部分作為內(nèi)
容，編寫本教材。本書可供電子信息科學(xué)類、儀器儀表類、電氣信息類、自動(dòng)控制類一些專業(yè)選用。
本教材在經(jīng)典控制理論和狀態(tài)空間方法這兩部分內(nèi)容的處理上，遵循“傳統(tǒng)模式”，即將經(jīng)典
理論與現(xiàn)代控制理論分開編寫，主要是考慮到傳統(tǒng)模式已經(jīng)證明行之有效，并且可以繼續(xù)采用。另
外，這兩方面內(nèi)容的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不同，處理問題的思路不同，混編在一起有教學(xué)上的不便。為了彌補(bǔ)
傳統(tǒng)編寫模式的不足，建議在講現(xiàn)代控制理論時(shí)能有意識地多聯(lián)系經(jīng)典控制理論。
本書安排了九章內(nèi)容。一至六章介紹經(jīng)典線性理論，包括時(shí)域法、根軌跡法和頻率域方法。第
一章介紹自動(dòng)控制的一般概念，首先從人工控制的過程引出自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)有的職能和部件，從而
引出反饋系統(tǒng)的概念與組成特點(diǎn)，而不是通過大量實(shí)例的羅列而引出。然后舉三個(gè)例子介紹開環(huán)
控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制等概念。重點(diǎn)是反饋系統(tǒng)的原理、組成部件的闡述。動(dòng)態(tài)過程和對系統(tǒng)
的性能要求只介紹初步概念。
第二章介紹自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，包括微分方程、傳遞函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)。強(qiáng)調(diào)了用線
性常系數(shù)微分方程描述的系統(tǒng)特點(diǎn)：疊加原理、時(shí)不變性、物理實(shí)現(xiàn)性；講梅森公式時(shí)，直接使用動(dòng)
態(tài)結(jié)構(gòu)圖，不引入信號流圖，從而使梅森公式與方框圖融成一體。
第三章介紹時(shí)域分析法，包括一、二階系統(tǒng)的分析與計(jì)算，系統(tǒng)穩(wěn)定性分析（勞思判據(jù)、赫爾維
茨判據(jù)），穩(wěn)態(tài)誤差分析、計(jì)算和一般規(guī)律。講解穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，強(qiáng)調(diào)了拉氏變換終值定理的使用條
件和系統(tǒng)穩(wěn)定性要求的關(guān)系，在講消去穩(wěn)態(tài)誤差的條件時(shí)，強(qiáng)調(diào)了內(nèi)模原理與穩(wěn)定性要求，使得數(shù)
學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性與物理概念一致。
第四章介紹根軌跡法，包括根軌跡方程與根軌跡的繪制法則，應(yīng)用主導(dǎo)極點(diǎn)、偶極子等概念近
似分析系統(tǒng)的性能，廣義根軌跡等內(nèi)容。在根軌跡繪制法則中，將分離角的求法總結(jié)為簡單、便于
使用的法則。分析系統(tǒng)的性能強(qiáng)調(diào)用主導(dǎo)極點(diǎn)、偶極子等概念，不羅列繁瑣的近似估算公式。
第五章介紹頻率域方法，包括頻率特性及其圖示方法、物理意義，奈奎斯特判據(jù)和對數(shù)判據(jù)。
為了加強(qiáng)系統(tǒng)頻帶的概念介紹了連續(xù)信號的頻譜。開、閉環(huán)頻率特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系，以定性分
析的物理概念為主。
第六章介紹控制系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)，包括串聯(lián)校正、反饋校正（超前校正、滯后校正、滯后’超前
校正、()*調(diào)節(jié)器）、復(fù)合校正。串聯(lián)校正主要講定性分析的物理概念，串聯(lián)校正的理論設(shè)計(jì)方法另
節(jié)處理。反饋校正的講法中汲取了最初反饋放大器的結(jié)果，也充分吸收了"# 世紀(jì)+# 年代多變量
頻率域的結(jié)果，使得與后續(xù)結(jié)果一致。復(fù)合控制一節(jié)中包含了多種形式的初償方案。
第七章介紹非線性系統(tǒng)理論，包括相平面法和描述函數(shù)法。
第八章介紹采樣系統(tǒng)理論，包括采樣定理、! 變換、脈沖傳遞函數(shù)、系統(tǒng)分析等內(nèi)容；穩(wěn)定性判
據(jù)主要介紹朱利判據(jù)；性能分析主要講閉環(huán)極點(diǎn)位置與瞬態(tài)分量的對應(yīng)關(guān)系；數(shù)字校正中講最小拍
控制。
第九章介紹了現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)，包括狀態(tài)方程、可控性與可觀測性、極點(diǎn)配置和狀態(tài)觀測器、
系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題。集中講述單變量線性時(shí)不變系統(tǒng)，對所有定理都給出了符合學(xué)生基礎(chǔ)的嚴(yán)格證明，使論述嚴(yán)謹(jǐn)，加強(qiáng)了邏輯思維與抽象思維的訓(xùn)練。
書末有三個(gè)附錄，分別為拉普拉斯變換、矩陣相似對角化和約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)形、!"#$"% 語言與自動(dòng)
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。附錄部分應(yīng)根據(jù)不同專業(yè)學(xué)生的需要，在課程教學(xué)合適的時(shí)間安排一定學(xué)時(shí)講解。
為了教學(xué)的方便，每章均有適當(dāng)?shù)牧?xí)題，書末附有主要練習(xí)題的簡單答案。
本書在取材和闡述方式上，注意了工程性，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)融合一體，貫穿
全書。在內(nèi)容上貫徹了刪繁就簡的原則，避免過分地引申和擴(kuò)充。在敘述問題時(shí)，力求概念明確、
層次分明和遵循教學(xué)順序。在例題和習(xí)題的編排上考慮了不同專業(yè)的背景，以供不同專業(yè)的教學(xué)
選用。由于前六章與第七章、第八章、第九章的內(nèi)容有相對獨(dú)立性，刪除一些章節(jié)后可供其他非控
制類專業(yè)或成人教育和繼續(xù)教育選用。
本教材由程鵬主編，參加編寫的有：祁慧珍（第一、五章）、于鳳仙（第二、四章、附錄!）、趙平
（第三章）、王艷東（第四章、附錄"）、邱紅專（第八章）、程鵬（第六、七、九章、附錄#），全書習(xí)題由
邱紅專提供了答案。由于本書是在北京航空航天大學(xué)內(nèi)部使用教材的基礎(chǔ)上修訂的，十余年來曾
經(jīng)多次修改，除了前述同仁外，沈程智、汪聲遠(yuǎn)和王紀(jì)文等都曾經(jīng)參加過本書的籌劃和提供過初稿，
李昌隆為本書提供了圖稿。
本教材在編寫過程中參考了許多院校專家們編寫的教科書和習(xí)題集，在此表示感謝。
北京航空航天大學(xué)
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第一章! 自動(dòng)控制的一般概念 …………………………………………………………………………………… "
#"$"! 自動(dòng)控制的任務(wù) ………………………………………………………………………………………… "
#"$%! 自動(dòng)控制的基本方式 …………………………………………………………………………………… %
#"$&! 對控制系統(tǒng)的性能要求………………………………………………………………………………… ""
習(xí)題 ……………………………………………………………………………………………………………… "&
第二章! 自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 …………………………………………………………………………… "’
#%$"! 控制系統(tǒng)微分方程的建立……………………………………………………………………………… "(
#%$%! 非線性微分方程的線性化……………………………………………………………………………… %"
#%$&! 傳遞函數(shù)………………………………………………………………………………………………… %)
#%$)! 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖……………………………………………………………………………………………… &)
#%$’! 系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)…………………………………………………………………………………… ’%
#%$(! 典型反饋系統(tǒng)的幾種傳遞函數(shù)………………………………………………………………………… ’)
習(xí)題 ……………………………………………………………………………………………………………… ’*
