自动控制原理
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自动控制原理
文本预览
高等学校教材
自 动 控 制 原 理
程! 鹏! 主编
高等教育出版社
书书书内容提要
! ! 本书列入北京市"##"年高等教育精品教材计划。
书中全面系统地介绍了自动控制理论的基本内容和分析、研究方法，包括系统数学模型的建立，分析系统的时
域法、根轨迹法和频率域方法；线性系统的校正设计；采样系统理论；非线性系统理论，包括相平面法和描述函数
法；现代控制理论基础，包括状态方程、可控性与可观测性、极点配置和状态观测器、系统稳定性等问题；附录中有
拉氏变换、矩阵相似对角化和约当标准形、$%&’%(应用的基础知识。每章均有适当的习题，书末给出了部分习题
解答。
本书可作为高等学校电子信息科学类、仪器仪表类、电气信息类、自动控制类一些专业的教材，也可作为成人
教育和继续教育的教材，还可以作为科技人员参考用书。
! 图书在版编目（!"#）数据
! 自动控制原理)程鹏主编*—北京：高等教育出版社，
"##+*,
! -.(/ , 0#1 0#22344 02
! !*自***"*程***#*自动控制理论0高等学校
0教材! $*&52+
! 中国版本图书馆6-5数据核字（"##+）第#1+3+4 号
出版发行! 高等教育出版社! ! ! ! ! ! ! ! ! 购书热线! #2#041#71733
社! ! 址! 北京市西城区德外大街1号 免费咨询! 3##032#0#783
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总! ! 机! #2#03"#"3388 9::;：))<<<*9=;*@BC*@A
经! ! 销! 新华书店北京发行所
印! ! 刷
开! ! 本! ,3,D84#! 2)24 版! ! 次! ! ! 年! 月第2版
印! ! 张! +2*,7 印! ! 次! ! ! 年! 月第! 次印刷
字! ! 数! 78#### 定! ! 价! ! +8*"#元
本书如有缺页、倒页、脱页等质量问题，请到所购图书销售部门联系调换。
版权所有! 侵权必究前! ! 言
目前，自动控制技术已广泛地应用于工、农业生产，交通运输和国防建设。指导自动控制系统
分析和设计的控制理论也有了很大的发展，它的概念、方法和体系已经渗透到许多学科领域。在
"# 世纪$# 和%# 年代中发展起来的经典控制理论至今仍被成功地应用于单变量定常系统的分析
和设计。在"# 世纪%# 年代末、"# 世纪&# 年代初发展起来的状态空间方法具有更广泛的适用性，
它可以用于多变量、定常或时变系统，所讨论的问题更复杂。为了适应高等工业院、校本科生教学
的需要，根据相应的教学大纲和学时安排，选取了经典控制理论和状态空间方法基础部分作为内
容，编写本教材。本书可供电子信息科学类、仪器仪表类、电气信息类、自动控制类一些专业选用。
本教材在经典控制理论和状态空间方法这两部分内容的处理上，遵循“传统模式”，即将经典
理论与现代控制理论分开编写，主要是考虑到传统模式已经证明行之有效，并且可以继续采用。另
外，这两方面内容的数学基础不同，处理问题的思路不同，混编在一起有教学上的不便。为了弥补
传统编写模式的不足，建议在讲现代控制理论时能有意识地多联系经典控制理论。
本书安排了九章内容。一至六章介绍经典线性理论，包括时域法、根轨迹法和频率域方法。第
一章介绍自动控制的一般概念，首先从人工控制的过程引出自动控制系统应有的职能和部件，从而
引出反馈系统的概念与组成特点，而不是通过大量实例的罗列而引出。然后举三个例子介绍开环
控制、闭环控制、复合控制等概念。重点是反馈系统的原理、组成部件的阐述。动态过程和对系统
的性能要求只介绍初步概念。
第二章介绍自动控制系统的数学模型，包括微分方程、传递函数和脉冲响应函数。强调了用线
性常系数微分方程描述的系统特点：叠加原理、时不变性、物理实现性；讲梅森公式时，直接使用动
态结构图，不引入信号流图，从而使梅森公式与方框图融成一体。
第三章介绍时域分析法，包括一、二阶系统的分析与计算，系统稳定性分析（劳思判据、赫尔维
茨判据），稳态误差分析、计算和一般规律。讲解稳态误差时，强调了拉氏变换终值定理的使用条
件和系统稳定性要求的关系，在讲消去稳态误差的条件时，强调了内模原理与稳定性要求，使得数
学的严谨性与物理概念一致。
第四章介绍根轨迹法，包括根轨迹方程与根轨迹的绘制法则，应用主导极点、偶极子等概念近
似分析系统的性能，广义根轨迹等内容。在根轨迹绘制法则中，将分离角的求法总结为简单、便于
使用的法则。分析系统的性能强调用主导极点、偶极子等概念，不罗列繁琐的近似估算公式。
第五章介绍频率域方法，包括频率特性及其图示方法、物理意义，奈奎斯特判据和对数判据。
为了加强系统频带的概念介绍了连续信号的频谱。开、闭环频率特性与系统性能的关系，以定性分
析的物理概念为主。
第六章介绍控制系统的校正设计，包括串联校正、反馈校正（超前校正、滞后校正、滞后’超前
校正、()*调节器）、复合校正。串联校正主要讲定性分析的物理概念，串联校正的理论设计方法另
节处理。反馈校正的讲法中汲取了最初反馈放大器的结果，也充分吸收了"# 世纪+# 年代多变量
频率域的结果，使得与后续结果一致。复合控制一节中包含了多种形式的初偿方案。
第七章介绍非线性系统理论，包括相平面法和描述函数法。
第八章介绍采样系统理论，包括采样定理、! 变换、脉冲传递函数、系统分析等内容；稳定性判
据主要介绍朱利判据；性能分析主要讲闭环极点位置与瞬态分量的对应关系；数字校正中讲最小拍
控制。
第九章介绍了现代控制理论基础，包括状态方程、可控性与可观测性、极点配置和状态观测器、
系统稳定性等问题。集中讲述单变量线性时不变系统，对所有定理都给出了符合学生基础的严格证明，使论述严谨，加强了逻辑思维与抽象思维的训练。
书末有三个附录，分别为拉普拉斯变换、矩阵相似对角化和约当标准形、!"#$"% 语言与自动
控制系统设计。附录部分应根据不同专业学生的需要，在课程教学合适的时间安排一定学时讲解。
为了教学的方便，每章均有适当的习题，书末附有主要练习题的简单答案。
本书在取材和阐述方式上，注意了工程性，将实验教学环节和计算机辅助设计融合一体，贯穿
全书。在内容上贯彻了删繁就简的原则，避免过分地引申和扩充。在叙述问题时，力求概念明确、
层次分明和遵循教学顺序。在例题和习题的编排上考虑了不同专业的背景，以供不同专业的教学
选用。由于前六章与第七章、第八章、第九章的内容有相对独立性，删除一些章节后可供其他非控
制类专业或成人教育和继续教育选用。
本教材由程鹏主编，参加编写的有：祁慧珍（第一、五章）、于凤仙（第二、四章、附录!）、赵平
（第三章）、王艳东（第四章、附录"）、邱红专（第八章）、程鹏（第六、七、九章、附录#），全书习题由
邱红专提供了答案。由于本书是在北京航空航天大学内部使用教材的基础上修订的，十余年来曾
经多次修改，除了前述同仁外，沈程智、汪声远和王纪文等都曾经参加过本书的筹划和提供过初稿，
李昌隆为本书提供了图稿。
本教材在编写过程中参考了许多院校专家们编写的教科书和习题集，在此表示感谢。
北京航空航天大学
程& 鹏
’((’ 年)’ 月目! ! 录
第一章! 自动控制的一般概念 …………………………………………………………………………………… "
#"$"! 自动控制的任务 ………………………………………………………………………………………… "
#"$%! 自动控制的基本方式 …………………………………………………………………………………… %
#"$&! 对控制系统的性能要求………………………………………………………………………………… ""
习题 ……………………………………………………………………………………………………………… "&
第二章! 自动控制系统的数学模型 …………………………………………………………………………… "’
#%$"! 控制系统微分方程的建立……………………………………………………………………………… "(
#%$%! 非线性微分方程的线性化……………………………………………………………………………… %"
#%$&! 传递函数………………………………………………………………………………………………… %)
#%$)! 动态结构图……………………………………………………………………………………………… &)
#%$’! 系统的脉冲响应函数…………………………………………………………………………………… ’%
#%$(! 典型反馈系统的几种传递函数………………………………………………………………………… ’)
习题 ……………………………………………………………………………………………………………… ’*
自 动 控 制 原 理
程! 鹏! 主编
高等教育出版社
书书书内容提要
! ! 本书列入北京市"##"年高等教育精品教材计划。
书中全面系统地介绍了自动控制理论的基本内容和分析、研究方法，包括系统数学模型的建立，分析系统的时
域法、根轨迹法和频率域方法；线性系统的校正设计；采样系统理论；非线性系统理论，包括相平面法和描述函数
法；现代控制理论基础，包括状态方程、可控性与可观测性、极点配置和状态观测器、系统稳定性等问题；附录中有
拉氏变换、矩阵相似对角化和约当标准形、$%&’%(应用的基础知识。每章均有适当的习题，书末给出了部分习题
解答。
本书可作为高等学校电子信息科学类、仪器仪表类、电气信息类、自动控制类一些专业的教材，也可作为成人
教育和继续教育的教材，还可以作为科技人员参考用书。
! 图书在版编目（!"#）数据
! 自动控制原理)程鹏主编*—北京：高等教育出版社，
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! !*自***"*程***#*自动控制理论0高等学校
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本书如有缺页、倒页、脱页等质量问题，请到所购图书销售部门联系调换。
版权所有! 侵权必究前! ! 言
目前，自动控制技术已广泛地应用于工、农业生产，交通运输和国防建设。指导自动控制系统
分析和设计的控制理论也有了很大的发展，它的概念、方法和体系已经渗透到许多学科领域。在
"# 世纪$# 和%# 年代中发展起来的经典控制理论至今仍被成功地应用于单变量定常系统的分析
和设计。在"# 世纪%# 年代末、"# 世纪&# 年代初发展起来的状态空间方法具有更广泛的适用性，
它可以用于多变量、定常或时变系统，所讨论的问题更复杂。为了适应高等工业院、校本科生教学
的需要，根据相应的教学大纲和学时安排，选取了经典控制理论和状态空间方法基础部分作为内
容，编写本教材。本书可供电子信息科学类、仪器仪表类、电气信息类、自动控制类一些专业选用。
本教材在经典控制理论和状态空间方法这两部分内容的处理上，遵循“传统模式”，即将经典
理论与现代控制理论分开编写，主要是考虑到传统模式已经证明行之有效，并且可以继续采用。另
外，这两方面内容的数学基础不同，处理问题的思路不同，混编在一起有教学上的不便。为了弥补
传统编写模式的不足，建议在讲现代控制理论时能有意识地多联系经典控制理论。
本书安排了九章内容。一至六章介绍经典线性理论，包括时域法、根轨迹法和频率域方法。第
一章介绍自动控制的一般概念，首先从人工控制的过程引出自动控制系统应有的职能和部件，从而
引出反馈系统的概念与组成特点，而不是通过大量实例的罗列而引出。然后举三个例子介绍开环
控制、闭环控制、复合控制等概念。重点是反馈系统的原理、组成部件的阐述。动态过程和对系统
的性能要求只介绍初步概念。
第二章介绍自动控制系统的数学模型，包括微分方程、传递函数和脉冲响应函数。强调了用线
性常系数微分方程描述的系统特点：叠加原理、时不变性、物理实现性；讲梅森公式时，直接使用动
态结构图，不引入信号流图，从而使梅森公式与方框图融成一体。
第三章介绍时域分析法，包括一、二阶系统的分析与计算，系统稳定性分析（劳思判据、赫尔维
茨判据），稳态误差分析、计算和一般规律。讲解稳态误差时，强调了拉氏变换终值定理的使用条
件和系统稳定性要求的关系，在讲消去稳态误差的条件时，强调了内模原理与稳定性要求，使得数
学的严谨性与物理概念一致。
第四章介绍根轨迹法，包括根轨迹方程与根轨迹的绘制法则，应用主导极点、偶极子等概念近
似分析系统的性能，广义根轨迹等内容。在根轨迹绘制法则中，将分离角的求法总结为简单、便于
使用的法则。分析系统的性能强调用主导极点、偶极子等概念，不罗列繁琐的近似估算公式。
第五章介绍频率域方法，包括频率特性及其图示方法、物理意义，奈奎斯特判据和对数判据。
为了加强系统频带的概念介绍了连续信号的频谱。开、闭环频率特性与系统性能的关系，以定性分
析的物理概念为主。
第六章介绍控制系统的校正设计，包括串联校正、反馈校正（超前校正、滞后校正、滞后’超前
校正、()*调节器）、复合校正。串联校正主要讲定性分析的物理概念，串联校正的理论设计方法另
节处理。反馈校正的讲法中汲取了最初反馈放大器的结果，也充分吸收了"# 世纪+# 年代多变量
频率域的结果，使得与后续结果一致。复合控制一节中包含了多种形式的初偿方案。
第七章介绍非线性系统理论，包括相平面法和描述函数法。
第八章介绍采样系统理论，包括采样定理、! 变换、脉冲传递函数、系统分析等内容；稳定性判
据主要介绍朱利判据；性能分析主要讲闭环极点位置与瞬态分量的对应关系；数字校正中讲最小拍
控制。
第九章介绍了现代控制理论基础，包括状态方程、可控性与可观测性、极点配置和状态观测器、
系统稳定性等问题。集中讲述单变量线性时不变系统，对所有定理都给出了符合学生基础的严格证明，使论述严谨，加强了逻辑思维与抽象思维的训练。
书末有三个附录，分别为拉普拉斯变换、矩阵相似对角化和约当标准形、!"#$"% 语言与自动
控制系统设计。附录部分应根据不同专业学生的需要，在课程教学合适的时间安排一定学时讲解。
为了教学的方便，每章均有适当的习题，书末附有主要练习题的简单答案。
本书在取材和阐述方式上，注意了工程性，将实验教学环节和计算机辅助设计融合一体，贯穿
全书。在内容上贯彻了删繁就简的原则，避免过分地引申和扩充。在叙述问题时，力求概念明确、
层次分明和遵循教学顺序。在例题和习题的编排上考虑了不同专业的背景，以供不同专业的教学
选用。由于前六章与第七章、第八章、第九章的内容有相对独立性，删除一些章节后可供其他非控
制类专业或成人教育和继续教育选用。
本教材由程鹏主编，参加编写的有：祁慧珍（第一、五章）、于凤仙（第二、四章、附录!）、赵平
（第三章）、王艳东（第四章、附录"）、邱红专（第八章）、程鹏（第六、七、九章、附录#），全书习题由
邱红专提供了答案。由于本书是在北京航空航天大学内部使用教材的基础上修订的，十余年来曾
经多次修改，除了前述同仁外，沈程智、汪声远和王纪文等都曾经参加过本书的筹划和提供过初稿，
李昌隆为本书提供了图稿。
本教材在编写过程中参考了许多院校专家们编写的教科书和习题集，在此表示感谢。
北京航空航天大学
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第一章! 自动控制的一般概念 …………………………………………………………………………………… "
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第二章! 自动控制系统的数学模型 …………………………………………………………………………… "’
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