自動控制原理
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自動控制原理
自動控制原理
文本預覽
高等學校教材
自 動 控 制 原 理
程! 鵬! 主編
高等教育出版社
書書書內容提要
! ! 本書列入北京市"##"年高等教育精品教材計劃。
書中全面系統地介紹了自動控制理論的基本內容和分析、研究方法，包括系統數學模型的建立，分析系統的時
域法、根軌跡法和頻率域方法；線性系統的校正設計；采樣系統理論；非線性系統理論，包括相平面法和描述函數
法；現代控制理論基礎，包括狀態方程、可控性與可觀測性、極點配置和狀態觀測器、系統穩定性等問題；附錄中有
拉氏變換、矩陣相似對角化和約當標準形、$%&’%(應用的基礎知識。每章均有適當的習題，書末給出了部分習題
解答。
本書可作為高等學校電子信息科學類、儀器儀表類、電氣信息類、自動控制類一些專業的教材，也可作為成人
教育和繼續教育的教材，還可以作為科技人員參考用書。
! 圖書在版編目（!"#）數據
! 自動控制原理)程鵬主編*—北京：高等教育出版社，
"##+*,
! -.(/ , 0#1 0#22344 02
! !*自***"*程***#*自動控制理論0高等學校
0教材! $*&52+
! 中國版本圖書館6-5數據核字（"##+）第#1+3+4 號
出版發行! 高等教育出版社! ! ! ! ! ! ! ! ! 購書熱線! #2#041#71733
社! ! 址! 北京市西城區德外大街1號 免費咨詢! 3##032#0#783
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總! ! 機! #2#03"#"3388 9::;：))<<<*9=;*@BC*@A
經! ! 銷! 新華書店北京發行所
印! ! 刷
開! ! 本! ,3,D84#! 2)24 版! ! 次! ! ! 年! 月第2版
印! ! 張! +2*,7 印! ! 次! ! ! 年! 月第! 次印刷
字! ! 數! 78#### 定! ! 價! ! +8*"#元
本書如有缺頁、倒頁、脫頁等質量問題，請到所購圖書銷售部門聯系調換。
版權所有! 侵權必究前! ! 言
目前，自動控制技術已廣泛地應用于工、農業生產，交通運輸和國防建設。指導自動控制系統
分析和設計的控制理論也有了很大的發展，它的概念、方法和體系已經滲透到許多學科領域。在
"# 世紀$# 和%# 年代中發展起來的經典控制理論至今仍被成功地應用于單變量定常系統的分析
和設計。在"# 世紀%# 年代末、"# 世紀&# 年代初發展起來的狀態空間方法具有更廣泛的適用性，
它可以用于多變量、定常或時變系統，所討論的問題更復雜。為了適應高等工業院、校本科生教學
的需要，根據相應的教學大綱和學時安排，選取了經典控制理論和狀態空間方法基礎部分作為內
容，編寫本教材。本書可供電子信息科學類、儀器儀表類、電氣信息類、自動控制類一些專業選用。
本教材在經典控制理論和狀態空間方法這兩部分內容的處理上，遵循“傳統模式”，即將經典
理論與現代控制理論分開編寫，主要是考慮到傳統模式已經證明行之有效，并且可以繼續采用。另
外，這兩方面內容的數學基礎不同，處理問題的思路不同，混編在一起有教學上的不便。為了彌補
傳統編寫模式的不足，建議在講現代控制理論時能有意識地多聯系經典控制理論。
本書安排了九章內容。一至六章介紹經典線性理論，包括時域法、根軌跡法和頻率域方法。第
一章介紹自動控制的一般概念，首先從人工控制的過程引出自動控制系統應有的職能和部件，從而
引出反饋系統的概念與組成特點，而不是通過大量實例的羅列而引出。然后舉三個例子介紹開環
控制、閉環控制、復合控制等概念。重點是反饋系統的原理、組成部件的闡述。動態過程和對系統
的性能要求只介紹初步概念。
第二章介紹自動控制系統的數學模型，包括微分方程、傳遞函數和脈沖響應函數。強調了用線
性常系數微分方程描述的系統特點：疊加原理、時不變性、物理實現性；講梅森公式時，直接使用動
態結構圖，不引入信號流圖，從而使梅森公式與方框圖融成一體。
第三章介紹時域分析法，包括一、二階系統的分析與計算，系統穩定性分析（勞思判據、赫爾維
茨判據），穩態誤差分析、計算和一般規律。講解穩態誤差時，強調了拉氏變換終值定理的使用條
件和系統穩定性要求的關系，在講消去穩態誤差的條件時，強調了內模原理與穩定性要求，使得數
學的嚴謹性與物理概念一致。
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，應用主導極點、偶極子等概念近
似分析系統的性能，廣義根軌跡等內容。在根軌跡繪制法則中，將分離角的求法總結為簡單、便于
使用的法則。分析系統的性能強調用主導極點、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，奈奎斯特判據和對數判據。
為了加強系統頻帶的概念介紹了連續信號的頻譜。開、閉環頻率特性與系統性能的關系，以定性分
析的物理概念為主。
第六章介紹控制系統的校正設計，包括串聯校正、反饋校正（超前校正、滯后校正、滯后’超前
校正、()*調節器）、復合校正。串聯校正主要講定性分析的物理概念，串聯校正的理論設計方法另
節處理。反饋校正的講法中汲取了最初反饋放大器的結果，也充分吸收了"# 世紀+# 年代多變量
頻率域的結果，使得與后續結果一致。復合控制一節中包含了多種形式的初償方案。
第七章介紹非線性系統理論，包括相平面法和描述函數法。
第八章介紹采樣系統理論，包括采樣定理、! 變換、脈沖傳遞函數、系統分析等內容；穩定性判
據主要介紹朱利判據；性能分析主要講閉環極點位置與瞬態分量的對應關系；數字校正中講最小拍
控制。
第九章介紹了現代控制理論基礎，包括狀態方程、可控性與可觀測性、極點配置和狀態觀測器、
系統穩定性等問題。集中講述單變量線性時不變系統，對所有定理都給出了符合學生基礎的嚴格證明，使論述嚴謹，加強了邏輯思維與抽象思維的訓練。
書末有三個附錄，分別為拉普拉斯變換、矩陣相似對角化和約當標準形、!"#$"% 語言與自動
控制系統設計。附錄部分應根據不同專業學生的需要，在課程教學合適的時間安排一定學時講解。
為了教學的方便，每章均有適當的習題，書末附有主要練習題的簡單答案。
本書在取材和闡述方式上，注意了工程性，將實驗教學環節和計算機輔助設計融合一體，貫穿
全書。在內容上貫徹了刪繁就簡的原則，避免過分地引申和擴充。在敘述問題時，力求概念明確、
層次分明和遵循教學順序。在例題和習題的編排上考慮了不同專業的背景，以供不同專業的教學
選用。由于前六章與第七章、第八章、第九章的內容有相對獨立性，刪除一些章節后可供其他非控
制類專業或成人教育和繼續教育選用。
本教材由程鵬主編，參加編寫的有：祁慧珍（第一、五章）、于鳳仙（第二、四章、附錄!）、趙平
（第三章）、王艷東（第四章、附錄"）、邱紅專（第八章）、程鵬（第六、七、九章、附錄#），全書習題由
邱紅專提供了答案。由于本書是在北京航空航天大學內部使用教材的基礎上修訂的，十余年來曾
經多次修改，除了前述同仁外，沈程智、汪聲遠和王紀文等都曾經參加過本書的籌劃和提供過初稿，
李昌隆為本書提供了圖稿。
本教材在編寫過程中參考了許多院校專家們編寫的教科書和習題集，在此表示感謝。
北京航空航天大學
程& 鵬
’((’ 年)’ 月目! ! 錄
第一章! 自動控制的一般概念 …………………………………………………………………………………… "
#"$"! 自動控制的任務 ………………………………………………………………………………………… "
#"$%! 自動控制的基本方式 …………………………………………………………………………………… %
#"$&! 對控制系統的性能要求………………………………………………………………………………… ""
習題 ……………………………………………………………………………………………………………… "&
第二章! 自動控制系統的數學模型 …………………………………………………………………………… "’
#%$"! 控制系統微分方程的建立……………………………………………………………………………… "(
#%$%! 非線性微分方程的線性化……………………………………………………………………………… %"
#%$&! 傳遞函數………………………………………………………………………………………………… %)
#%$)! 動態結構圖……………………………………………………………………………………………… &)
#%$’! 系統的脈沖響應函數…………………………………………………………………………………… ’%
#%$(! 典型反饋系統的幾種傳遞函數………………………………………………………………………… ’)
習題 ……………………………………………………………………………………………………………… ’*
自 動 控 制 原 理
程! 鵬! 主編
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書書書內容提要
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書中全面系統地介紹了自動控制理論的基本內容和分析、研究方法，包括系統數學模型的建立，分析系統的時
域法、根軌跡法和頻率域方法；線性系統的校正設計；采樣系統理論；非線性系統理論，包括相平面法和描述函數
法；現代控制理論基礎，包括狀態方程、可控性與可觀測性、極點配置和狀態觀測器、系統穩定性等問題；附錄中有
拉氏變換、矩陣相似對角化和約當標準形、$%&’%(應用的基礎知識。每章均有適當的習題，書末給出了部分習題
解答。
本書可作為高等學校電子信息科學類、儀器儀表類、電氣信息類、自動控制類一些專業的教材，也可作為成人
教育和繼續教育的教材，還可以作為科技人員參考用書。
! 圖書在版編目（!"#）數據
! 自動控制原理)程鵬主編*—北京：高等教育出版社，
"##+*,
! -.(/ , 0#1 0#22344 02
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! 中國版本圖書館6-5數據核字（"##+）第#1+3+4 號
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目前，自動控制技術已廣泛地應用于工、農業生產，交通運輸和國防建設。指導自動控制系統
分析和設計的控制理論也有了很大的發展，它的概念、方法和體系已經滲透到許多學科領域。在
"# 世紀$# 和%# 年代中發展起來的經典控制理論至今仍被成功地應用于單變量定常系統的分析
和設計。在"# 世紀%# 年代末、"# 世紀&# 年代初發展起來的狀態空間方法具有更廣泛的適用性，
它可以用于多變量、定常或時變系統，所討論的問題更復雜。為了適應高等工業院、校本科生教學
的需要，根據相應的教學大綱和學時安排，選取了經典控制理論和狀態空間方法基礎部分作為內
容，編寫本教材。本書可供電子信息科學類、儀器儀表類、電氣信息類、自動控制類一些專業選用。
本教材在經典控制理論和狀態空間方法這兩部分內容的處理上，遵循“傳統模式”，即將經典
理論與現代控制理論分開編寫，主要是考慮到傳統模式已經證明行之有效，并且可以繼續采用。另
外，這兩方面內容的數學基礎不同，處理問題的思路不同，混編在一起有教學上的不便。為了彌補
傳統編寫模式的不足，建議在講現代控制理論時能有意識地多聯系經典控制理論。
本書安排了九章內容。一至六章介紹經典線性理論，包括時域法、根軌跡法和頻率域方法。第
一章介紹自動控制的一般概念，首先從人工控制的過程引出自動控制系統應有的職能和部件，從而
引出反饋系統的概念與組成特點，而不是通過大量實例的羅列而引出。然后舉三個例子介紹開環
控制、閉環控制、復合控制等概念。重點是反饋系統的原理、組成部件的闡述。動態過程和對系統
的性能要求只介紹初步概念。
第二章介紹自動控制系統的數學模型，包括微分方程、傳遞函數和脈沖響應函數。強調了用線
性常系數微分方程描述的系統特點：疊加原理、時不變性、物理實現性；講梅森公式時，直接使用動
態結構圖，不引入信號流圖，從而使梅森公式與方框圖融成一體。
第三章介紹時域分析法，包括一、二階系統的分析與計算，系統穩定性分析（勞思判據、赫爾維
茨判據），穩態誤差分析、計算和一般規律。講解穩態誤差時，強調了拉氏變換終值定理的使用條
件和系統穩定性要求的關系，在講消去穩態誤差的條件時，強調了內模原理與穩定性要求，使得數
學的嚴謹性與物理概念一致。
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，應用主導極點、偶極子等概念近
似分析系統的性能，廣義根軌跡等內容。在根軌跡繪制法則中，將分離角的求法總結為簡單、便于
使用的法則。分析系統的性能強調用主導極點、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，奈奎斯特判據和對數判據。
為了加強系統頻帶的概念介紹了連續信號的頻譜。開、閉環頻率特性與系統性能的關系，以定性分
析的物理概念為主。
第六章介紹控制系統的校正設計，包括串聯校正、反饋校正（超前校正、滯后校正、滯后’超前
校正、()*調節器）、復合校正。串聯校正主要講定性分析的物理概念，串聯校正的理論設計方法另
節處理。反饋校正的講法中汲取了最初反饋放大器的結果，也充分吸收了"# 世紀+# 年代多變量
頻率域的結果，使得與后續結果一致。復合控制一節中包含了多種形式的初償方案。
第七章介紹非線性系統理論，包括相平面法和描述函數法。
第八章介紹采樣系統理論，包括采樣定理、! 變換、脈沖傳遞函數、系統分析等內容；穩定性判
據主要介紹朱利判據；性能分析主要講閉環極點位置與瞬態分量的對應關系；數字校正中講最小拍
控制。
第九章介紹了現代控制理論基礎，包括狀態方程、可控性與可觀測性、極點配置和狀態觀測器、
系統穩定性等問題。集中講述單變量線性時不變系統，對所有定理都給出了符合學生基礎的嚴格證明，使論述嚴謹，加強了邏輯思維與抽象思維的訓練。
書末有三個附錄，分別為拉普拉斯變換、矩陣相似對角化和約當標準形、!"#$"% 語言與自動
控制系統設計。附錄部分應根據不同專業學生的需要，在課程教學合適的時間安排一定學時講解。
為了教學的方便，每章均有適當的習題，書末附有主要練習題的簡單答案。
本書在取材和闡述方式上，注意了工程性，將實驗教學環節和計算機輔助設計融合一體，貫穿
全書。在內容上貫徹了刪繁就簡的原則，避免過分地引申和擴充。在敘述問題時，力求概念明確、
層次分明和遵循教學順序。在例題和習題的編排上考慮了不同專業的背景，以供不同專業的教學
選用。由于前六章與第七章、第八章、第九章的內容有相對獨立性，刪除一些章節后可供其他非控
制類專業或成人教育和繼續教育選用。
本教材由程鵬主編，參加編寫的有：祁慧珍（第一、五章）、于鳳仙（第二、四章、附錄!）、趙平
（第三章）、王艷東（第四章、附錄"）、邱紅專（第八章）、程鵬（第六、七、九章、附錄#），全書習題由
邱紅專提供了答案。由于本書是在北京航空航天大學內部使用教材的基礎上修訂的，十余年來曾
經多次修改，除了前述同仁外，沈程智、汪聲遠和王紀文等都曾經參加過本書的籌劃和提供過初稿，
李昌隆為本書提供了圖稿。
本教材在編寫過程中參考了許多院校專家們編寫的教科書和習題集，在此表示感謝。
北京航空航天大學
程& 鵬
’((’ 年)’ 月目! ! 錄
第一章! 自動控制的一般概念 …………………………………………………………………………………… "
#"$"! 自動控制的任務 ………………………………………………………………………………………… "
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習題 ……………………………………………………………………………………………………………… "&
第二章! 自動控制系統的數學模型 …………………………………………………………………………… "’
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習題 ……………………………………………………………………………………………………………… ’*
