第1章自動控制繫統概述1
1.1自動控制繫統的定義和表示方法1
1.1.1人工控制和自動控制2
1.1.2自動控制繫統的表示方法3
1.2開環控制和閉環控制4
1.2.1開環控制4
1.2.2閉環控制5
1.2.3開環控制和閉環控制的比較6
1.2.4復合控制6
1.3控制繫統的組成7
1.4對自動控制繫統的基本要求8
1.5自動控制繫統的分類10
1.5.1線性繫統和非線性繫統10
1.5.2定常繫統和時變繫統11
1.5.3連續繫統和離散繫統12
1.5.4恆值控制繫統、隨動控制繫統和程序控制繫統12
1.5.5單變量繫統和多變量繫統13
1.6自動控制理論發展簡史13
1.7自動控制繫統實例16
1.8本課程的特點與學習方法18
小結19
控制與電氣學科世界著名學者——瓦特19
思維導圖20
思考題20
習題21

第2章控制繫統的數學模型24
2.1控制繫統數學模型概述24
2.1.1數學模型的定義24
2.1.2數學模型的簡化性與分析準確性25
2.1.3數學模型的分類25
2.1.4控制繫統的建模方法26
2.2控制繫統的時域數學模型26
2.2.1控制繫統微分方程的建立26
2.2.2非線性微分方程的線性化30
2.3數學基礎——拉普拉斯變換33
2.3.1拉普拉斯變換的定義33
2.3.2典型函數的拉氏變換33
2.3.3拉氏變換的基本性質37
2.3.4拉氏反變換38
2.3.5應用拉氏變換解線性微分方程40
2.4控制繫統的復域數學模型41
2.4.1傳遞函數41
2.4.2典型環節的傳遞函數43
2.4.3傳遞函數的標準形式47
2.4.4電氣網絡的運算阻抗與傳遞函數48
2.5控制繫統的結構圖及其等效變換50
2.5.1繫統結構圖的組成50
2.5.2繫統結構圖的繪制50
2.5.3結構圖的基本變換53
2.5.4結構圖的化簡及其傳遞函數55
2.6信號流圖與梅森增益公式60
2.6.1信號流圖60
2.6.2梅森增益公式62
2.7控制繫統的傳遞函數65
2.8相似原理68
小結70
控制與電氣學科世界著名學者——維納70
思維導圖71
思考題71
習題72

第3章線性控制繫統的時域分析法77
3.1典型輸入信號及繫統性能指標77
3.1.1典型輸入信號78
3.1.2繫統時域性能指標78
3.2一階繫統的時域分析80
3.2.1一階繫統的數學模型80
3.2.2一階繫統的單位階躍響應80
3.2.3一階繫統的單位脈衝響應82
3.2.4一階繫統的單位斜坡響應82
3.2.5三種響應之間的關繫83
3.3二階繫統的時域分析83
3.3.1二階繫統的數學模型84
3.3.2二階繫統的單位階躍響應86
3.3.3欠阻尼二階繫統的動態性能指標89
3.3.4二階繫統的單位脈衝響應97
3.3.5二階繫統的單位斜坡響應98
3.3.6非零初始條件下的二階繫統響應100
3.4改善二階繫統動態性能的措施101
3.4.1測速反饋控制101
3.4.2比例-微分控制104
3.5高階繫統的時域分析107
3.5.1高階繫統的單位階躍響應108
3.5.2閉環主導極點109
3.6線性控制繫統的穩定性分析109
3.6.1穩定的概念110
3.6.2線性繫統穩定的充要條件110
3.6.3勞斯穩定判據111
3.6.4赫爾維茨穩定判據115
3.7線性控制繫統的穩態性能分析117
3.7.1控制繫統誤差與穩態誤差117
3.7.2終值定理法求穩態誤差118
3.7.3控制繫統型別120
3.7.4靜態誤差繫數法求穩態誤差120
3.7.5擾動信號作用下的穩態誤差124
3.7.6動態誤差繫數法求動態誤差125
3.8減小或消除穩態誤差的方法126
3.8.1增大開環放大倍數126
3.8.2增加串聯積分環節127
3.8.3復合控制127
3.9基於Matlab的控制繫統時域分析128
小結131
控制與電氣學科世界著名學者——麥克斯韋131
思維導圖132
思考題132
習題133

第4章線性繫統的根軌跡法136
4.1控制繫統的根軌跡136
4.1.1閉環零、極點與開環零、極點之間的關繫138
4.1.2根軌跡方程139
4.2繪制180°根軌跡的基本規則140
4.3廣義根軌跡151
4.3.1參數根軌跡151
4.3.20°根軌跡152
4.4閉環零、極點分布對繫統性能的影響155
4.4.1繫統閉環零、極點分布與階躍響應的數學關繫式155
4.4.2閉環極點分布與繫統動態性能關繫156
4.4.3利用主導極點估算繫統的性能指標158
4.5添加開環零、極點對根軌跡的影響160
4.5.1添加開環零點對根軌跡的影響160
4.5.2添加開環極點對根軌跡的影響161
4.5.3添加開環偶極子對根軌跡的影響163
4.6基於Matlab的控制繫統根軌跡分析164
小結166
控制與電氣學科世界著名學者——伊文思166
思維導圖167
思考題168
習題168

第5章線性繫統的頻域分析法170
5.1頻率特性的基本概念和表示方法170
5.1.1頻率特性的基本概念170
5.1.2頻率特性圖形表示方法174
5.2對數頻率特性圖（伯德圖）174
5.2.1對數頻率特性圖174
5.2.2典型環節對數頻率特性圖175
5.2.3開環對數頻率特性圖繪制181
5.3小相位繫統與非小相位繫統183
5.4由對數幅頻特性曲線確定開環傳遞函數184
5.5幅相頻率特性圖（奈奎斯特曲線）185
5.5.1典型環節的幅相圖185
5.5.2開環繫統幅相圖的繪制188
5.6奈奎斯特穩定判據191
5.6.1奈奎斯特穩定判據的數學基礎192
5.6.2典型的奈奎斯特穩定判據196
5.6.3基於對數頻率特性的奈奎斯特穩定判據201
5.7控制繫統的相對穩定性202
5.7.1穩定裕度202
5.7.2穩定裕度計算204
5.8利用開環對數幅頻特性分析繫統性能205
5.8.1開環幅頻特性“三頻段”與繫統性能的關繫206
5.8.2二階繫統開環頻域指標與時域指標的關繫209
5.9利用閉環頻率特性分析繫統性能211
5.9.1閉環頻率特性的頻域指標211
5.9.2二階繫統閉環頻域指標與時域指標的關繫212
5.9.3高階繫統頻域指標和時域指標的關繫213
5.10基於Matlab的控制繫統頻域分析214
小結216
電子信息與電氣學科世界著名學者——奈奎斯特216
思維導圖217
思考題218
習題218

第6章線性繫統的綜合與校正222
6.1概述222
6.1.1繫統校正的一般概念222
6.1.2校正方式223
6.1.3校正方法224
6.2基本控制規律226
6.2.1比例（P）控制規律226
6.2.2比例-微分（PD）控制規律226
6.2.3積分（I）控制規律228
6.2.4比例-積分（PI）控制規律228
6.2.5比例-積分-微分（PID）控制規律229
6.3串聯校正230
6.3.1串聯超前校正（PD）230
6.3.2串聯滯後校正(PI)235
6.3.3串聯滯後-超前校正(PID)239
6.4期望頻率特性法245
6.5反饋校正247
6.5.1反饋校正功能247
6.5.2用頻率法分析反饋校正繫統250
6.6基於Matlab的控制繫統校正255
小結260
電子信息與電氣學科世界著名學者——伯德260
思維導圖261
思考題262
習題262

第7章非線性繫統的分析264
7.1非線性繫統概述264
7.1.1非線性現像的普遍性264
7.1.2典型的非線性特性265
7.1.3非線性繫統的特點267
7.1.4非線性繫統的分析方法268
7.2描述函數法268
7.2.1描述函數法的基本概念268
7.2.2典型非線性特性的描述函數270
7.2.3非線性繫統的等效274
7.2.4非線性繫統的描述函數分析278
7.3相平面分析法284
7.3.1相平面的基本概念284
7.3.2相軌跡的繪制方法286
7.3.3由相軌跡求時間解288
7.3.4線性繫統相軌跡289
7.3.5極限環292
7.3.6非線性繫統相軌跡293
7.4改善非線性繫統性能的措施299
7.4.1調整線性部分的結構參數299
7.4.2改變非線性特性299
7.4.3非線性特性的利用300
7.5基於Simulink求解非線性繫統的時域響應301
小結304
控制與電氣學科世界著名學者——錢學森304
思維導圖305
思考題305
習題306

第8章線性離散繫統的分析310
8.1概述310
8.2信號的采樣與復現312
8.2.1信號采樣過程312
8.2.2采樣定理313
8.2.3信號復現316
8.3Z變換318
8.3.1Z變換的定義318
8.3.2Z變換的方法319
8.3.3Z變換的性質321
8.3.4Z反變換322
8.4離散繫統的數學模型324
8.4.1差分方程及其解法324
8.4.2脈衝傳遞函數325
8.4.3開環繫統脈衝傳遞函數327
8.4.4閉環繫統脈衝傳遞函數328
8.5穩定性分析331
8.5.1s平面到z平面的映射332
8.5.2線性離散繫統穩定的充要條件333
8.5.3穩定性判據334
8.6動態性能分析338
8.6.1離散繫統閉環極點分布與動態響應的關繫338
8.6.2動態性能分析340
8.7穩態誤差計算341
8.7.1終值定理法341
8.7.2靜態誤差繫數法343
8.8離散繫統的數字校正344
8.8.1數字控制器的脈衝傳遞函數344
8.8.2少拍繫統設計345
8.9基於Matlab的線性離散控制繫統分析350
小結355
電子信息與電氣學科世界著名學者——香農355
思維導圖356
思考題357
習題357

參考文獻360

自動控制技術以自動控制理論為基礎和支撐，是生產過程中的關鍵技術。自動控制技術廣泛地應用於空間科技、冶金、化工、機電、交通運輸和國防建設等各個領域，在科學技術現代化發展的過程中，發揮著越來越重要的作用。自動控制原理是控制科學與工程學科的重要理論基礎，是自動化專業的核心課程。由於自動控制技術在各個行業的廣泛滲透與應用，自動控制理論已逐漸成為很多學科的專業基礎課程，且愈來愈占有重要的位置。
本書是高等學校專業基礎課教材，既注重學生的基礎理論和抽像思維的培養，加強相關數學定理及其證明的推導，又強化落實到實際的控制繫統當中。本書從經典控制理論出發，講解自動控制繫統概述、控制繫統的數學模型、線性繫統的時域分析法、線性繫統的根軌跡法、線性繫統的頻域分析法、線性繫統的綜合與校正、非線性繫統的分析、線性離散繫統的分析。本書從基本概念和分析方法入手，結合實例，以時域分析為主線，根軌跡分析和頻域分析為兩翼，利用直觀的物理概念以及Matlab仿真，使學生充分理解控制繫統參數與性能之間的內在聯繫，由淺入深地引導學生全面理解和掌握自動控制繫統的分析與設計方法。
本書第2版保留了第1版的大部分內容，增加了一些自動控制繫統實例；對第2章的拉普拉斯變換和第8章的Z變換進行了精簡；對第5章線性繫統的頻率特性法中的內容進行了較大修改，對奈奎斯特穩定判據的闡述更加詳細；為了通過控制繫統仿真加強對控制繫統基本概念和理論的理解，將第1版第9章的內容拆分安排在本書每章的後一節，通過對典型習題的Matlab編程和Simulink環境仿真，將手工運算與計算機仿真相結合，得到直觀圖形，使抽像問題更容易理解。為了加強理論與工程實踐的結合，各章均增加了與工程案例相結合的典型例題。
本書對每章學習內容設計了含有選擇題型、判斷題型的基本測試題，讀者可以通過手機掃描書中的二維碼，在線完成每章的基本測試教學環節，以便加強對基本概念和理論的理解與深化。為了幫助學生全面掌握每章的教學重點，釐清知識脈絡，每章由教學目標與要求開始，結尾由小結、思維導圖、思考題和習題組成。
本書為佳木斯大學“自動控制原理”省級一流本科課程建設成果教材和黑龍江省線上線下精品課程配套教材，采用本書作為教材的課程已在國家智慧教育公共服務平臺上線，教學資源豐富，利於教師翻轉課堂教學。
本書內容簡明扼要，通俗易懂，條理清晰，層次分明，注意各專業的通用性和便於不同教學時數的取舍。本書電子課件、教學大綱、教學日志可在www.cipedu.com.cn下載，供選用教材的教師參考。
本書由佳木斯大學田思慶、佳茜主編，佳木斯大學周黎黎、姜天嶽、張敏、李金霞、張寧、楊康，牡丹江師範學院王淑玉參加編寫。其中田思慶編寫第1章和第3章，張敏編寫第2章的2.1～2.5節，張寧編寫第2章的2.6～2.8節，李金霞編寫第4章，王鹍編寫第5章，姜天嶽編寫第6章，周黎黎編寫第佳茜編寫第8章，王淑玉編寫全書的思維導圖、思考題、習題及其答案。全書由田思慶教授整理統稿，楊康主審。
本書在編寫過程中參考了相關優秀教材和著作，編者向參考文獻作者表示真誠的謝意。由於編者水平有限，書中難免有不當之處，編者郵箱為tian_siqing@126.com，懇請使用本書的教師、學生多提寶貴意見。

編者
2023年1月