本教材覆蓋高等學校自動化專業(yè)“自動控制原理”課程的主要內容，包括建模、分析、設計的基本概念及方法．全書分上、下冊出版．上冊主要涉及經(jīng)典控制理論，包括單輸入單輸出動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學描述、時間響應、頻率響應方法、根軌跡方法、串聯(lián)校正、非線性系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)等，但數(shù)學模型部分包括狀態(tài)空間模型及多輸入多輸出系統(tǒng)．下冊主要涉及狀態(tài)空間方法，包括系統(tǒng)的狀態(tài)空間結構分析、線性定常系統(tǒng)的綜合、李雅普諾夫穩(wěn)定性分析、最優(yōu)控制等．除習題與參考答案外，本教材附有術語索引、少量供讀者閱讀的參考文獻．
本書注重分析思考能力的培養(yǎng)．減少單純用于解決計算、作圖技巧的內容，淘汰某些已經(jīng)過時的作圖技巧，推薦使用MATLAB，隨書贈送作者自主編制的設計軟件IntelDes 3.0．
本書是高等學校自動化專業(yè)“自動控制原理”課程教材，也可供相關工程技術人員參考．
吳 麒 清華大學自動化系教授，博士研究生導師。中國自動化學會榮譽理事。1952 年畢業(yè)于清華大學電機工程系，1959年獲蘇聯(lián)技術科學副博士學位。長期從事控制理論和控制工程的教學科研工作。與同事合作編著有《自動控制原理》、《多變量頻率域控制理論》和《控制系統(tǒng)的智能設計》等書。在國內外發(fā)表學術論文40余篇。
王詩宓 清華大學自動化系教授。1967年畢業(yè)于清華大學動力機械系，1983年獲英國曼徹斯特大學理工學院哲學博士學位。長期從事控制理論與應用的教學和研究。主要研究方向為預測控制、容錯控制、過程控制．獨立或合作編著有《多變量控制系統(tǒng)的分析和設計》、《過程控制》、《先進過程控制》、《自動控制理論例題習題集》和《控制工程基礎》。在國內外發(fā)表學術論文40余篇。
杜繼宏 清華大學自動化系教授。中國自動化學會智能自動化專業(yè)委員會副主任委員。1966年畢業(yè)于清華大學自動控制系。長期從事控制理論與應用的教學和研究。主要研究方向為機器人控制、計算機網(wǎng)絡控制、智能控制等．與同事合作編著有《自動控制原理》、《現(xiàn)代控制理論基礎例題》、《機器人》、《計算機控制系統(tǒng)及應用》、《自動控制理論例題習題集》和《控制工程基礎》。合作翻譯《機器人學：控制、傳感器、視覺和智能》。在國內外發(fā)表學術論文近40篇。
高黛陵 清華大學自動化系教授。1960年畢業(yè)于清華大學自動控制系。長期從事控制理論和控制工程的教學科研工作，并曾從事核反應堆控制及計算機科學的研究。與同事合作編著有《多變量頻率域控制理論》和《控制系統(tǒng)的智能設計》等書。在國內外發(fā)表學術論文近40篇。
出版說明
為適應我國對高等學校自動化專業(yè)人才培養(yǎng)的需要，配合各高校教學改革的進程，創(chuàng)建一套符合自動化專業(yè)培養(yǎng)目標和教學改革要求的新型自動化專業(yè)系列教材，“教育部高等學校自動化專業(yè)教學指導分委員會”（簡稱“教指委”）聯(lián)合了“中國自動化學會教育工作委員會”、“中國電工技術學會高校工業(yè)自動化教育專業(yè)委員會”、“中國系統(tǒng)仿真學會教育工作委員會”和“中國機械工業(yè)教育協(xié)會電氣工程及自動化學科委員會”四個委員會，以教學創(chuàng)新為指導思想，以教材帶動教學改革為方針，設立專項資助基金，采用全國公開招標方式，組織編寫出版一套自動化專業(yè)系列教材——《全國高等學校自動化專業(yè)系列教材》．
本系列教材主要面向本科生，同時兼顧研究生； 覆蓋面包括專業(yè)基礎課、專業(yè)核心課、專業(yè)選修課、實踐環(huán)節(jié)課和專業(yè)綜合訓練課； 重點突出自動化專業(yè)基礎理論和前沿技術； 以文字教材為主，適當包括多媒體教材； 以主教材為主，適當包括習題集、實驗指導書、教師參考書、多媒體課件、網(wǎng)絡課程腳本等輔助教材； 力求做到符合自動化專業(yè)培養(yǎng)目標、反映自動化專業(yè)教育改革方向、滿足自動化專業(yè)教學需要； 努力創(chuàng)造使之成為具有先進性、創(chuàng)新性、適用性和系統(tǒng)性的特色品牌教材．
本系列教材在“教指委”的領導下，從2004年起，通過招標機制，計劃用3~4年時間出版50本左右教材，2006年開始陸續(xù)出版問世．為滿足多層面、多類型的教學需求，同類教材可能出版多種版本．
本系列教材的主要讀者群是自動化專業(yè)及相關專業(yè)的大學生和研究生，以及相關領域和部門的科學工作者和工程技術人員．我們希望本系列教材既能為在校大學生和研究生的學習提供內容先進、論述系統(tǒng)和適于教學的教材或參考書，也能為廣大科學工作者和工程技術人員的知識更新與繼續(xù)學習提供適合的參考資料．感謝使用本系列教材的廣大教師、學生和科技工作者的熱情支持，并歡迎提出批評和意見．
《全國高等學校自動化專業(yè)系列教材》編審委員會
2005年10月于北京
序1
自動化學科有著光榮的歷史和重要的地位，20世紀50年代我國政府就十分重視自動化學科的發(fā)展和自動化專業(yè)人才的培養(yǎng)．五十多年來，自動化科學技術在眾多領域發(fā)揮了重大作用，如航空、航天等，“兩彈一星”的偉大工程就包含了許多自動化科學技術的成果．自動化科學技術也改變了我國工業(yè)整體的面貌，不論是石油化工、電力、鋼鐵，還是輕工、建材、醫(yī)藥等領域都要用到自動化手段，在國防工業(yè)中自動化的作用更是巨大的．現(xiàn)在，世界上有很多非�；钴S的領域都離不開自動化技術，比如機器人、月球車等．另外，自動化學科對一些交叉學科的發(fā)展同樣起到了積極的促進作用，例如網(wǎng)絡控制、量子控制、流媒體控制、生物信息學、系統(tǒng)生物學等學科就是在系統(tǒng)論、控制論、信息論的影響下得到不斷的發(fā)展．在整個世界已經(jīng)進入信息時代的背景下，中國要完成工業(yè)化的任務還很重，或者說我們正處在后工業(yè)化的階段．因此，國家提出走新型工業(yè)化的道路和“信息化帶動工業(yè)化，工業(yè)化促進信息化”的科學發(fā)展觀，這對自動化科學技術的發(fā)展是一個前所未有的戰(zhàn)略機遇．
機遇難得，人才更難得．要發(fā)展自動化學科，人才是基礎、是關鍵．高等學校是人才培養(yǎng)的基地，或者說人才培養(yǎng)是高等學校的根本．作為高等學校的領導和教師始終要把人才培養(yǎng)放在第一位，具體對自動化系或自動化學院的領導和教師來說，要時刻想著為國家關鍵行業(yè)和戰(zhàn)線培養(yǎng)和輸送優(yōu)秀的自動化技術人才．
影響人才培養(yǎng)的因素很多，涉及教學改革的方方面面，包括如何拓寬專業(yè)口徑、優(yōu)化教學計劃、增強教學柔性、強化通識教育、提高知識起點、降低專業(yè)重心、加強基礎知識、強調專業(yè)實踐等，其中構建融會貫通、緊密配合、有機聯(lián)系的課程體系，編寫有利于促進學生個性發(fā)展、培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的教材尤為重要．清華大學吳澄院士領導的《全國高等學校自動化專業(yè)系列教材》編審委員會，根據(jù)自動化學科對自動化技術人才素質與能力的需求，充分吸取國外自動化教材的優(yōu)勢與特點，在全國范圍內，以招標方式，組織編寫了這套自動化專業(yè)系列教材，這對推動高等學校自動化專業(yè)發(fā)展與人才培養(yǎng)具有重要的意義．這套系列教材的建設有新思路、新機制，適應了高等學校教學改革與發(fā)展的新形勢，立足創(chuàng)建精品教材，重視實踐性環(huán)節(jié)在人才培養(yǎng)中的作用，采用了競爭機制，以激勵和推動教材建設．在此，我謹向參與本系列教材規(guī)劃、組織、編寫的老師致以誠摯的感謝，并希望該系列教材在全國高等學校自動化專業(yè)人才培養(yǎng)中發(fā)揮應有的作用．
教授
2005年10月于教育部
序2
《全國高等學校自動化專業(yè)系列教材》編審委員會在對國內外部分大學有關自動化專業(yè)的教材做深入調研的基礎上，廣泛聽取了各方面的意見，以招標方式，組織編寫了一套面向全國本科生（兼顧研究生）、體現(xiàn)自動化專業(yè)教材整體規(guī)劃和課程體系、強調專業(yè)基礎和理論聯(lián)系實際的系列教材，自2006年起將陸續(xù)面世．全套系列教材共50多本，涵蓋了自動化學科的主要知識領域，大部分教材都配置了包括電子教案、多媒體課件、習題輔導、課程實驗指示書等立體化教材配件．此外，為強調落實“加強實踐教育，培養(yǎng)創(chuàng)新人才”的教學改革思想，還特別規(guī)劃了一組專業(yè)實驗教程，包括《自動控制原理實驗教程》、《運動控制實驗教程》、《過程控制實驗教程》、《檢測技術實驗教程》和《計算機控制系統(tǒng)實驗教程》等．
自動化科學技術是一門應用性很強的學科，面對的是各種各樣錯綜復雜的系統(tǒng)，控制對象可能是確定性的，也可能是隨機性的； 控制方法可能是常規(guī)控制，也可能需要優(yōu)化控制．這樣的學科專業(yè)人才應該具有什么樣的知識結構，又應該如何通過專業(yè)教材來體現(xiàn)，這正是“系列教材編審委員會”規(guī)劃系列教材時所面臨的問題．為此，設立了《自動化專業(yè)課程體系結構研究》專項研究課題，成立了由清華大學蕭德云教授負責，包括清華大學、上海交通大學、西安交通大學和東北大學等多所院校參與的聯(lián)合研究小組，對自動化專業(yè)課程體系結構進行深入的研究，提出了按“控制理論與工程、控制系統(tǒng)與技術、系統(tǒng)理論與工程、信息處理與分析、計算機與網(wǎng)絡、軟件基礎與工程、專業(yè)課程實驗”等知識板塊構建的課程體系結構．以此為基礎，組織規(guī)劃了一套涵蓋幾十門自動化專業(yè)基礎課程和專業(yè)課程的系列教材．從基礎理論到控制技術，從系統(tǒng)理論到工程實踐，從計算機技術到信號處理，從設計分析到課程實驗，涉及的知識單元多達數(shù)百個、知識點幾千個，介入的學校50多所，參與的教授120多人，是一項龐大的系統(tǒng)工程．從編制招標要求、公布招標公告，到組織投標和評審，最后商定教材大綱，凝聚著全國百余名教授的心血，為的是編寫出版一套具有一定規(guī)模、富有特色的、既考慮研究型大學又考慮應用型大學的自動化專業(yè)創(chuàng)新型系列教材．
然而，如何進一步構建完善的自動化專業(yè)教材體系結構？如何建設基礎知識與最新知識有機融合的教材？如何充分利用現(xiàn)代技術，適應現(xiàn)代大學生的接受習慣，改變教材單一形態(tài)，建設數(shù)字化、電子化、網(wǎng)絡化等多元形態(tài)、開放性的“廣義教材”？等等，這些都還有待我們進行更深入的研究．
本套系列教材的出版，對更新自動化專業(yè)的知識體系、改善教學條件、創(chuàng)造個性化的教學環(huán)境，一定會起到積極的作用．但是由于受各方面條件所限，本套教材從整體結構到每本書的知識組成都可能存在許多不當甚至謬誤之處，還望使用本套教材的廣大教師、學生及各界人士不吝批評指正．
院士
2005年10月于清華大學
下冊目錄
第7章描述函數(shù)方法與相平面方法
7.1引言
7.1.1線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)
7.1.2非線性系統(tǒng)的某些特征現(xiàn)象
7.2非線性特性的描述函數(shù)
7.2.1描述函數(shù)
7.2.2描述函數(shù)的計算
7.2.3某些典型非線性特性的描述函數(shù)
7.2.4非線性特性的串聯(lián)與并聯(lián)
7.3非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)分析方法
7.3.1穩(wěn)定性分析
7.3.2描述函數(shù)的負倒數(shù)特性
7.3.3自持振蕩的分析與計算
7.3.4伯德圖在描述函數(shù)方法中的應用
7.4相平面
7.4.1相平面圖
7.4.2相平面圖的性質
7.4.3相軌跡的作圖方法
7.4.4奇點的分類與性質
7.4.5極限環(huán)
7.5非線性系統(tǒng)的相平面分析方法
7.5.1線性系統(tǒng)的分析
7.5.2非線性系統(tǒng)的分區(qū)分析方法
7.5.3非線性部件對控制系統(tǒng)性能的影響
7.6小結
習題
第8章采樣控制系統(tǒng)
8.1引言
8.2采樣與保持
8.2.1采樣過程
8.2.2理想采樣過程
8.2.3保持器
8.3z變換
8.3.1時間函數(shù)的z變換
8.3.2z變換的性質
8.3.3反z變換
8.4脈沖傳遞函數(shù)
8.4.1脈沖傳遞函數(shù)的推導
8.4.2脈沖傳遞函數(shù)的計算
8.5采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
8.5.1s平面與z平面之間的映射
8.5.2z平面上的穩(wěn)定性分析方法
8.5.3雙線性變換
8.5.4w平面上的穩(wěn)定性分析方法
8.6采樣控制系統(tǒng)的時間響應
8.6.1閉環(huán)極點與沖激響應的關系
8.6.2采樣系統(tǒng)的瞬態(tài)響應指標
8.6.3采樣系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應
8.6.4修正的z變換
8.7采樣控制系統(tǒng)的校正
8.7.1等效模擬校正設計方法
8.7.2數(shù)字控制器的直接設計
8.7.3數(shù)字控制器的解析設計
8.8小結
習題
第9章線性系統(tǒng)的結構分析
9.1引言
9.2特征值規(guī)范型
9.2.1對角線規(guī)范型
9.2.2狀態(tài)運動模態(tài)與特征結構
9.2.3共軛模態(tài)規(guī)范型
9.2.4循環(huán)矩陣的若爾當規(guī)范型
9.2.5非循環(huán)矩陣的若爾當規(guī)范型
9.2.6由可控或可觀規(guī)范型化特征值規(guī)范型
9.3狀態(tài)可控性
9.3.1狀態(tài)可控性的示例
9.3.2狀態(tài)可控性的定義
9.3.3可控子空間和可控性的基本判據(jù)
9.3.4定常系統(tǒng)可控性的特征值規(guī)范型判據(jù)和模態(tài)判據(jù)
9.3.5定常系統(tǒng)可控性的代數(shù)判據(jù)
9.3.6定常系統(tǒng)的可控性指數(shù)
9.4狀態(tài)可觀性
9.4.1狀態(tài)可觀性的示例
9.4.2狀態(tài)可觀性的定義
9.4.3不可觀子空間和可觀性基本判據(jù)
9.4.4定常系統(tǒng)可觀性的特征值規(guī)范型判據(jù)和模態(tài)判據(jù)
9.4.5定常系統(tǒng)可觀性的代數(shù)判據(jù)
9.4.6定常系統(tǒng)的可觀性指數(shù)
9.5對偶原理
9.5.1對偶系統(tǒng)與對偶原理
9.5.2對偶原理的應用
9.6線性定常離散時間系統(tǒng)的結構分析
9.6.1離散時間系統(tǒng)的可控性和可達性判據(jù)
9.6.2可達性指數(shù)
9.6.3離散時間系統(tǒng)的可觀性和可重構性判據(jù)
9.6.4連續(xù)時間系統(tǒng)離散化后保持可達和可觀的條件
9.6.5單輸入系統(tǒng)可達性矩陣行列式的值與可達程度
9.7系統(tǒng)的結構分解
9.7.1線性定常系統(tǒng)按可控性分解
9.7.2線性定常系統(tǒng)按可觀性分解
9.7.3線性定常系統(tǒng)結構的標準分解
9.8可控規(guī)范型和可觀規(guī)范型
9.8.1單輸入系統(tǒng)的兩種可控規(guī)范型
9.8.2采用矩陣行列初等變換求可控規(guī)范型
9.8.3單輸出系統(tǒng)的兩種可觀規(guī)范型
9.8.4多輸入系統(tǒng)的可控規(guī)范型
9.8.5多輸出系統(tǒng)的可觀規(guī)范型
9.9傳遞函數(shù)矩陣中的零極點對消
9.9.1單輸入單輸出系統(tǒng)的零極點對消
9.9.2多輸入多輸出系統(tǒng)的零極點對消
9.9.3狀態(tài)可控性和可觀性的頻域判據(jù)
9.9.4輸出可控性和輸入可觀性
9.10傳遞函數(shù)矩陣的狀態(tài)空間實現(xiàn)
9.10.1實現(xiàn)和最小實現(xiàn)
9.10.2標量傳遞函數(shù)的實現(xiàn)
9.10.3傳遞函數(shù)矩陣的實現(xiàn)
9.10.4利用漢克爾矩陣尋找最小實現(xiàn)
9.11反饋控制系統(tǒng)的可控性和可觀性
9.11.1狀態(tài)反饋和輸出反饋
9.11.2反饋控制對可控性和可觀性的影響
9.11.3化完全可控的多輸入系統(tǒng)為對單一輸入分量完全
可控的系統(tǒng)
9.12小結
習題
第10章線性定常系統(tǒng)的綜合
10.1閉環(huán)系統(tǒng)的極點配置
10.1.1單輸入系統(tǒng)的極點配置
10.1.2多輸入系統(tǒng)極點配置的一種方法
10.1.3閉環(huán)極點配置定理
10.1.4鎮(zhèn)定問題
10.1.5輸入變換和穩(wěn)態(tài)特性
10.2多輸入系統(tǒng)極點配置方法與特征結構配置
10.2.1多輸入系統(tǒng)的極點配置方法
10.2.2特征結構配置
10.2.3不完全可控系統(tǒng)的特征結構配置
10.3閉環(huán)系統(tǒng)的解耦
10.3.1系統(tǒng)的可解耦性
10.3.2用逆系統(tǒng)方法實現(xiàn)閉環(huán)解耦
10.3.3解耦階常數(shù)的性質
10.3.4具有期望閉環(huán)極點的解耦系統(tǒng)
10.3.5解耦系統(tǒng)的零點
10.3.6帶輸入補償器的解耦控制
10.4狀態(tài)觀測器
10.4.1全維觀測器
10.4.2系統(tǒng)引入觀測器后的頻域性質
10.4.3降維觀測器
10.5帶有觀測器的反饋控制系統(tǒng)
10.5.1閉環(huán)系統(tǒng)結構及其極點可分離性
10.5.2閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣的零極點對消
10.5.3重構狀態(tài)反饋和帶補償器的輸出反饋的等價性
10.6有外擾時控制系統(tǒng)的綜合
10.6.1調節(jié)器問題
10.6.2閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無差的判據(jù)
10.6.3外擾狀態(tài)可直接測量時的系統(tǒng)綜合方法
10.6.4外擾狀態(tài)觀測器與內模原理
10.7魯棒調節(jié)器
10.7.1常值擾動下的魯棒調節(jié)器
10.7.2魯棒調節(jié)器的頻域性質
10.7.3魯棒調節(jié)器的構造
10.8小結
習題
第11章李雅普諾夫穩(wěn)定性分析
11.1引言
11.1.1運動穩(wěn)定性和平衡狀態(tài)
11.1.2李雅普諾夫穩(wěn)定性
11.1.3李雅普諾夫第一方法
11.1.4二次型函數(shù)的定號性和西爾維斯特判據(jù)
11.2李雅普諾夫第二方法
11.2.1李雅普諾夫函數(shù)
11.2.2李雅普諾夫穩(wěn)定性基本定理
11.2.3其他穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性定理
11.2.4離散系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性定理
11.3吸引域
11.4李雅普諾夫方法在線性定常系統(tǒng)中的應用
11.4.1連續(xù)系統(tǒng)的李雅普諾夫方程
11.4.2離散系統(tǒng)的李雅普諾夫方程
11.4.3系統(tǒng)響應快速性的估計
11.4.4參數(shù)的優(yōu)化設計
11.5李雅普諾夫方法在非線性系統(tǒng)中的應用
11.5.1克拉索夫斯基方法
11.5.2變量梯度法
11.6小結
習題
第12章最優(yōu)控制
12.1引言
12.2最優(yōu)控制問題
12.2.1幾個示例
12.2.2最優(yōu)控制問題的數(shù)學描述
12.3泛函和變分法
12.3.1泛函
12.3.2泛函的變分
12.3.3泛函的極值
12.3.4古典變分法
12.4變分法在最優(yōu)控制中的應用
12.4.1拉格朗日問題
12.4.2波爾查問題
12.4.3最優(yōu)軌線上的哈密頓函數(shù)
12.4.4離散時間系統(tǒng)的最優(yōu)控制
12.5極小值原理及其應用
12.5.1變分法的局限性
12.5.2極小值原理的幾種具體形式
12.5.3時間最優(yōu)控制問題
12.6極小值原理的證明
12.6.1兩個引理
12.6.2采用增量法的證明過程
12.7線性二次型調節(jié)器
12.7.1線性二次型問題
12.7.2有限時間狀態(tài)反饋調節(jié)器
12.7.3定常系統(tǒng)無限時間狀態(tài)反饋調節(jié)器
12.7.4離散系統(tǒng)的線性二次型狀態(tài)反饋調節(jié)器
12.7.5輸出調節(jié)器問題
12.8小結
習題
下冊部分習題參考答案
下冊名詞索引
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