本书主要介绍经典控制理论和现代控制理论中控制系统分析和综合的基本方法。全书共分9章，前6章属于经典控制理论中的线性定常连续控制系统问题，包括： 自动控制系统的基本概念，控制系统的数学模型，时域分析法，根轨迹法，频域分析法，控制系统的设计与校正； 第7章为线性离散系统的分析与校正； 第8章为非线性控制系统分析； 第9章为现代控制理论概述。

本书可作为机械、电子、计算机应用技术、电子信息工程、工业工程、测控技术及仪器等非自控专业及相关专业学生的教材，亦可供有关工程技术人员参考。

随着工业4.0和智能制造的提出，控制工程技术起着越来越重要的作用，业已成为从事科学研究与社会生产的技术人员必须掌握的专业技术基础知识。本书可作为高等院校的非自动控制专业及其他有关专业学生的教材。

在编写本教材的过程中，我们力图贯彻“夯实基础”“理论与实践紧密结合”的原则，注重“三融合”，即数学理论基础和专业知识之间的有机融合、控制理论与工程应用的有机融合、控制技术与信息技术的融合，为学习者应用控制理论方法解决工程的实际问题奠定必要的基础。我们总结了多年的教学经验和科研实践，参考了国内外有关书籍和文献，在注重本书系统性的同时，力图将我们的经验体会、案例素材融入本书内容中，比较全面地阐述了经典控制理论的基本内容以及结合工程实际的设计实例和运用MATLAB软件研究控制系统的方法。同时，为适应学科发展，对现代控制理论进行了概要讲述。

本书在内容编排上，力求概念表达准确，知识结构合理，循序渐进； 在叙述方法上，力求深入浅出，突出重点，便于读者更全面了解控制工程基础的全貌，更好地掌握本课程的基本理论和学习方法。

沈艳编写本书第1、4、5、6、7章，孙锐编写本书第2、3章及附录，于慧君编写本书第8、9章。本书由沈艳统稿，杨平教授主审。

本书在编写过程中，杨平教授、古天祥教授给予了指导和帮助，为本书提出了很好的建议，在此表示衷心的感谢。同时，本书参考了许多兄弟院校同行作者的相关文献、教材，在此对这些作者、译者和单位表示感谢。

限于编者水平，书中难免存在错误与不妥之处，恳请广大读者及同行批评指正。

编者

2019年6月

第1章绪论

1.1概述

1.1.1经典控制理论

1.1.2现代控制理论

1.1.3智能控制理论

1.2控制系统工作原理和组成

1.2.1控制系统工作原理

1.2.2反馈控制系统的基本组成

1.3自动控制系统的分类

1.3.1按是否存在反馈分类

1.3.2按输入量变化规律分类

1.3.3按系统的元件特性分类

1.3.4按传递信号的性质分类

1.4自动控制系统的性能要求

1.5控制工程基础研究内容

小结

习题

第2章控制系统的数学模型

2.1数学模型概述

2.1.1数学模型的概念

2.1.2数学模型建立方法

2.2控制系统的微分方程

2.3传递函数

2.3.1传递函数的定义

2.3.2传递函数的性质

2.3.3典型环节的传递函数

2.3.4控制系统的传递函数

2.4控制系统结构图及其简化

2.4.1结构图的运算法则

2.4.2结构图变换法则

2.5信号流图基本概念

2.5.1信号流图

2.5.2梅逊增益公式

2.6控制系统建模的MATLAB实现

2.7设计实例： 硬盘驱动读写系统

2.7.1硬盘驱动读写系统工作原理

2.7.2硬盘驱动读写系统建模

小结

习题

第3章控制系统的时域分析

3.1典型输入信号

3.2控制系统的时域性能指标

3.3一阶系统的时域分析

3.3.1一阶系统传递函数

3.3.2一阶系统的典型输入响应

3.4二阶系统的时域分析

3.4.1二阶系统传递函数

3.4.2二阶系统的典型输入响应

3.5高阶系统的时域分析

3.5.1高阶系统的单位阶跃响应

3.5.2闭环主导极点

3.6控制系统的稳定性

3.6.1稳定性的基本概念

3.6.2稳定的充要条件

3.6.3劳斯稳定判据

3.7控制系统的误差分析

3.7.1稳态误差的基本概念

3.7.2稳态误差的计算

3.7.3动态误差系数

3.8控制系统时域分析的MATLAB方法

3.9设计实例： 漫游车转向控制系统

小结

习题

第4章控制系统的根轨迹分析

4.1根轨迹的基本概念

4.1.1根轨迹

4.1.2根轨迹方程

4.2常规根轨迹

4.3广义根轨迹

4.3.1参数根轨迹

4.3.2零度根轨迹

4.4控制系统根轨迹分析

4.4.1开环零、极点分布对系统性能影响

4.4.2利用主导极点估算系统的性能指标

4.5控制系统根轨迹分析的MATLAB方法

4.6设计实例： 激光操纵控制系统

小结

习题

第5章控制系统的频域分析

5.1频率特性概述

5.1.1频率特性的基本概念

5.1.2频率特性的计算方法

5.1.3频率特性的表示方法

5.2开环系统奈奎斯特图的绘制

5.2.1典型环节的奈奎斯特图

5.2.2开环系统的奈奎斯特图绘制

5.3开环系统伯德图的绘制

5.3.1典型环节的伯德图

5.3.2开环系统伯德图的绘制

5.4控制系统稳定性的频域分析

5.4.1奈奎斯特稳定性判据

5.4.2对数稳定性判据

5.4.3相对稳定性

5.5闭环频域特性

5.6控制系统频域分析的MATLAB方法

5.7设计实例： 雕刻机位置控制系统

小结

习题

第6章控制系统的设计与校正

6.1概述

6.1.1控制系统的性能指标

6.1.2设计与校正的概念

6.1.3校正的方式

6.2频率法串联校正

6.2.1串联超前校正

6.2.2串联滞后校正

6.2.3串联滞后超前校正

6.3根轨迹法串联校正

6.3.1串联超前校正

6.3.2串联滞后校正

6.3.3串联滞后超前校正

6.4PID控制器与串联校正

6.5反馈校正

6.6复合校正

6.6.1按给定输入的顺馈补偿

6.6.2按干扰输入的顺馈补偿

6.7线性系统校正的MATLAB方法

小结

习题

第7章线性离散系统的分析与校正

7.1离散系统的数学模型

7.1.1线性常系数差分方程

7.1.2脉冲传递函数

7.2离散系统的性能分析

7.2.1稳定性分析

7.2.2稳态误差分析

7.2.3动态性能分析

7.3离散系统的综合

7.3.1对数频率法

7.3.2最少拍系统设计

7.4MATLAB方法在离散系统中的应用

7.5设计实例： 工作台控制系统

小结

习题

第8章非线性控制系统分析

8.1概述

8.1.1非线性系统的特点

8.1.2典型的非线性特性

8.1.3非线性控制系统的分析方法

8.2描述函数法

8.2.1基本概念

8.2.2典型非线性特性的描述函数

8.2.3非线性系统的描述函数法分析

8.3相平面分析法

8.3.1基本概念

8.3.2等倾斜线法

8.3.3二阶线性系统的相轨迹

8.3.4非线性系统的相平面分析

8.4逆系统方法

8.5MATLAB方法在非线性系统中的应用

小结

习题

第9章现代控制理论概述

9.1线性控制系统的状态空间模型

9.1.1系统的状态空间表达式

9.1.2状态空间表达式的建立

9.1.3系统的传递函数矩阵

9.2控制系统的可控性和可观测性

9.2.1可控性

9.2.2可观测性

9.2.3可观测性和可控性的关系

9.3李雅普诺夫稳定性分析

9.3.1李雅普诺夫稳定性定义

9.3.2李雅普诺夫稳定性定理

9.3.3线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析

9.4线性定常系统的综合

9.4.1状态反馈和输出反馈

9.4.2极点配置

9.4.3状态观测器

9.5状态空间分析的MATLAB方法

9.6设计实例： 自动检测系统

小结

习题

附录

参考文献

本书贯彻“理论与实践紧密结合”的编写原则，收录了一定的结合工程实际的设计实例以及Matlab软件研究控制系统的方法。

沈艳：成都信息工程大学控制工程学院教授，四川省学术和技术带头人后备人选，密歇根州立大学访问学者。主持完成科研项目20余项，发表学术论文60余篇，专著2部,教材5部, 授权专利10余项，获省部级科技进步奖1项。