该课程不仅是自动化专业的基础理论课，也是其他相关专业的基础理论课，目前开设本课程的专业还有计算机、电子信息以及检测技术等专业。

该课程不仅跟踪国际一流大学有关课程的内容与体系，而且随着科研与学术的发展不断更新课程内容，从而提高自动化及相关专业的整体学术水平。

自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。二战后，已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入单输出的线形定常数系统的分析和设计问题。

自动控制原理自动控制系统

为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的整体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度、压力或飞行轨迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的相关机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。

自动控制原理反馈控制系统

在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。

下面是一个标准的反馈模型：

开方：

公式：X(n 1）=Xn （A/Xn^2-Xn）1/3设A=5，开3次方

5介于1^3至2^3之间（1的3次方=1，2的3次方=8）

X_0可以取1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0都可以。例如我们取2.0。按照公式：

第一步：X1={2.0 [5/(2.0^2-2.0)]1/3=1.7}。即5/2×2=1.25，1.25-2=-0.75，-0.75×1/3=-0.25，输入值大于输出值，负反馈

2-0.25=1.75，取2位数字，即1.7。

第二步：X2={1.7 [5/(1.7^2-1.7)]1/3=1.71}.。

即5/1.7×1.7=1.73010，1.73-1.7=0.03，0.03×1/3=0.01，输入值小于输出值正反馈

1.7 0.01=1.71。取3位数字，比前面多取一位数字。

第三步：X3={1.71 [5/(1.71^2-1.71)]1/3=1.709} 输入值大于输出值，负反馈

第四步：X4={1.709 [5/(1.709^2-1.709)]1/3=1.7099} 输入值小于输出值正反馈

这种方法可以自动调节，第一步与第三步取值偏大，但是计算出来以后输出值会自动减小；第二步，第四步输入值偏小，输出值自动增大。X4=1.7099.

当然也可以取1.1，1.2，1.3，……1.8，1.9中的任何一个。

同时，自动控制原理也是高等院校自动化专业的一门主干课程，是学习后续专业课的重要基础，也是自动化专业硕士研究生入学考试必考的课程。

1．简单物理系统的微分方程和传递函数的列写和计算；

2．方框图和信号流图的变换和化简；

3．开环传递函数与闭环传递函数的推导和计算；

4．线性连续系统的动态过程分析；

5．代数稳定判据及其在线性系统中的应用；

6．根轨迹的基本特性及典型系统根轨迹的绘制；

7．用根轨迹分析系统的动态性能和稳定性；

8．波德图和奈奎斯特图的绘制；

9．奈奎斯特稳定判据及应用；

10．用开环频率特性分析系统的主要动态和静态特性；

11．校正的基本原理及设计方法；

12．简单非线性控制系统分析的描述函数分析方法及相平面方法；

13．采样系统的分析及校正的基本方法。2100433B

1、系统、反馈、方框图（方块图）、信号流图、传递函数、基本环节；

2、稳态的分析：稳定性判据、稳态误差、稳定裕量；

3、动态响应分析：时间常数、阻尼系数、振荡频率，脉冲响应、阶跃响应、动态性能指标（如峰值时间、超调量、衰减比等），主导极点；

4、根轨迹，开环极点、零点，闭环极点、零点；

5、频率特性、极坐标图、Bode图、Nyquist稳定判据、校正与综合；

6、状态空间分析、能控性、能观性；

7、典型的非线性特性、描述函数、相平面、自激振荡；

8、采样控制、Z变换、脉冲传递函数。

20世纪60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新的阶段——现代控制理论。它主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论、信息论、仿生学、人工智能为基础的智能控制理论深入。

该课程是关于自动控制系统的基础理论，其主要内容包括：自动控制系统的基本组成和结构、自动控制系统的性能指标、自动控制系统的类型（连续、离散、线性、非线性等）及特点、自动控制系统的分析（时域法、频域法等）和设计方法等。通过本课程的学习，学生可以了解有关自动控制系统的运行机理、控制器参数对系统性能的影响以及自动控制系统的各种分析和设计方法等。

第1章自动控制的一般概念

1.1引言

1.2自动控制的基本原理

1.2.1自动控制问题的引出

1.2.2控制方式

1.3自动控制系统的基本组成

1.4自动控制系统示例

1.4.1函数记录仪

1.4.2磁盘驱动读取系统

1.4.3导弹发射架的方位控制

1.4.4机器人

1.5自动控制系统的分类

1.5.1按给定输入信号特征分类

1.5.2按系统的数学特性分类

1.5.3其他类型的分类

1.6对自动控制系统的基本要求

1.7控制分析与MATLAB

1.7.1控制系统工具箱（Control System Toolbox）

1.7.2MATLAB辅助分析与设计

1.8自动控制理论的发展概况

1.8.1早期的自动控制

1.8.2经典控制理论

1.8.3现代控制理论

1.9小结

习题

第2章控制系统的数学模型

2.1引言

2.2控制系统的时域数学模型

2.2.1线性元件的微分方程建立

2.2.2控制系统微分方程的建立与求解

2.2.3线性系统的基本特性

2.2.4非线性微分方程的线性化

2.3线性系统的传递函数

2.3.1传递函数的定义和性质

2.3.2典型元部件的传递函数

2.4系统结构图及其等效变换

2.4.1结构图的组成与绘制

2.4.2结构图的等效变换

2.5信号流图及梅逊公式

2.5.1信号流图的组成及性质

2.5.2信号流图的绘制

2.5.3梅逊增益公式

2.6闭环系统的传递函数

2.6.1输入信号作用下的闭环传递函数

2.6.2扰动作用下的闭环传递函数

2.6.3闭环系统的误差传递函数

2.7控制系统建模的MATLAB方法

2.7.1控制系统模型描述

2.7.2模型转换

2.7.3系统连接

2.8数学模型的实验测定法

2.9小结

习题

第3章线性系统的时域分析

3.1反馈控制系统的特性及基本分析

3.1.1开环和闭环控制

3.1.2控制系统的瞬态响应

3.1.3反馈控制系统的干扰信号

3.1.4稳态误差

3.1.5反馈的代价

3.2控制系统时间响应的性能指标

3.2.1典型输入信号

3.2.2控制系统的时间响应过程

3.2.3控制系统的时域性能指标

3.3一阶系统的时域分析

3.3.1一阶系统的数学模型

3.3.2一阶系统的单位阶跃响应

3.3.3一阶系统的单位脉冲响应

3.3.4一阶系统的单位斜坡响应

3.4二阶系统的时域分析

3.4.1二阶系统的数学模型

3.4.2二阶系统的单位阶跃响应

3.4.3二阶系统动态性能指标计算

3.4.4改善二阶系统性能的常用方法

3.5高阶系统的时域分析

3.5.1高阶系统的阶跃响应

3.5.2高阶系统的闭环主导极点和动态性能分析

3.6线性系统的稳定性

3.6.1稳定的概念

3.6.2线性系统稳定的充要条件

3.6.3线性系统稳定的代数判据

3.7线性系统的稳态误差

3.7.1误差与稳态误差

3.7.2给定信号作用下的稳态误差计算

3.7.3扰动作用下的稳态误差计算

3.7.4提高系统控制精度的措施

3.8基本控制律分析

3.8.1比例（P）控制律

3.8.2比例一微分（PD）控制律

3.8.3积分（I）控制律

3.8.4比例一积分（PI）控制律

3.8.5比例一积分一微分（PID）控制律

3.9线性系统时域分析的MATLAB方法

3.9.1稳定性分析

3.9.2动态性能和稳态性能分析

3.10小结

习题

第4章线性系统的根轨迹法

4.1控制系统的根轨迹

4.1.1根轨迹的基本概念

4.1.2闭环零极点与开环零极点的关系

4.1.3根轨迹方程

4.2根轨迹的绘制法则

4.3其他形式的根轨迹

4.3.1参数根轨迹

4.3.2零度根轨迹

4.4基于MATLAB的根轨迹图绘制

4.4.1rlocus

4.4.2rlocfind

4.5根轨迹法分析

4.5.1闭环零点、极点与时间响应

4.5.2系统性能的定性分析

4.6小结

习题

第5章线性系统的频域分析法

5.1频率特性

5.1.1频率特性的基本概念

5.1.2频率特性的图形表示方法

5.2典型环节的伯德图

5.2.1比例环节

5.2.2积分环节和微分环节

5.2.3惯性环节和一阶微分环节

5.2.4振荡环节

5.2.5二阶微分环节

5.2.6延迟环节

5.3开环系统的伯德图

5.3.1开环伯德图的绘制

5.3.2最小相位系统

5.4典型环节的极坐标图及开环系统极坐标图绘制

5.4.1典型环节的极坐标图

5.4.2开环极坐标图及近似绘制

5.5频域稳定性判据

5.5.1辅助函数F（s）

5.5.2幅角原理

5.5.3奈奎斯特稳定性判据

5.5.4伯德图上的稳定性判据

5.6稳定裕度

5.6.1相位裕度

5.6.2幅值裕度

5.7闭环频率特性

5.7.1基本关系

5.7.2矢量表示法

5.7.3闭环频率特性

5.8基于MATLAB的频率特性图绘制

5.8.1伯德（Bode）图

5.8.2奈奎斯特曲线

5.9频率特性分析

5.9.1三频段的概念

5.9.2开环频域指标与时域指标的关系

5.9.3闭环频域指标与时域指标的关系

5.10小结

习题

第6章控制系统的综合与校正

6.1控制系统校正的基本概念

6.1.1性能指标

6.1.2校正方式

6.1.3校正的设计方法

6.2常用校正装置及其特性

6.2.1串联超前校正网络

6.2.2串联滞后校正网络

6.2.3串联滞后一超前校正网络

6.3串联校正的频域法设计

6.3.1串联超前校正设计

6.3.2串联滞后校正设计

6.3.3串联滞后一超前校正设计

6.4反馈校正与复合校正

6.4.1反馈校正的原理与特点

6.4.2复合校正

6.5PID控制器的参数整定

6.5.1衰减曲线法

6.5.2稳定边界法（Ultimate Sensitivity Method）

6.6小结

习题

第7章非线性系统

7.1控制系统的非线性特性

7.1.1典型的非线性特性

7.1.2非线性系统的若干特征

7.1.3非线性控制系统的分析方法

7.2描述函数法

7.2.1描述函数定义

7.2.2典型非线性特性的描述函数

7.2.3非线性系统描述函数法分析

7.3相平面法

7.3.1相平面法的基本概念

7.3.2相平面图的绘制

7.3.3相轨迹的基本特性

7.3.4非线性系统的相平面法分析

7.4非线性系统分析的MATLAB方法

7.4.1微分方程高阶数值解法

7.4.2综合运用：非线性系统的稳定性分析

7.5小结

习题

第8章离散控制系统

8.1离散控制系统基本概念

8.1.1采样控制系统

8.1.2数字控制系统

8.1.3离散控制系统的特点

8.2信号采样和复现

8.2.1信号采样

8.2.2采样信号频谱分析

8.2.3采样定理

8.2.4信号复现

8.3Z变换及反变换

8.3.1Z变换定义

8.3.2Z变换的求法

8.3.3Z变换的性质

8.3.4Z反变换

8.4离散系统的数学模型

8.4.1差分方程

8.4.2脉冲传递函数

8.5离散控制系统性能分析

8.5.1离散控制系统的稳定性

8.5.2离散控制系统的稳态误差

8.5.3离散系统动态性能

8.6线性离散系统分析的MATLAB方法

8.6.1连续系统的离散化

8.6.2离散系统时域分析

8.6.3综合运用

8.7小结

习题

附录A拉氏变换与反变换

附录BMATLAB常用命令索引

参考文献2100433B

上篇

第1章自动控制的一般概念

1.1自动控制的基本概念与方式

1.1.1自动控制的基本概念

1.1.2自动控制系统的基本控制方式

1.2自动控制系统的分类

1.3对控制系统性能的基本要求及评价

1.3.1对控制系统的基本要求

1.3.2对控制系统性能的评价

本章小结

习题

第2章控制系统的数学模型

2.1线性定常系统微分方程的建立及求解

2.1.1线性定常系统微分方程的建立

2.1.2线性定常系统微分方程的求解

2.2线性定常系统的传递函数

2.2.1传递函数的基本概念

2.2.2传递函数的求解方法

2.2.3传递函数的性质

2.3控制系统的结构图及其等效变换

2.3.1结构图的组成和绘制

2.3.2结构图的等效变换及化简

2.3.3控制系统各类传递函数的确定方法

2.4控制系统的信号流图

2.4.1信号流图的基本概念

2.4.2信号流图的绘制

2.4.3梅森增益公式及其应用

本章小结

习题

第3章线性系统的时域分析法

3.1一阶系统的时域分析

3.1.1一阶系统描述

3.1.2其他典型输入信号的一阶系统输出响应

3.2二阶系统的时域分析

3.2.1二阶系统描述

3.2.2二阶欠阻尼系统的性能指标计算

3.3控制系统的稳定性分析

3.3.1稳定的基本概念

3.3.2劳斯稳定判据

3.4控制系统的稳态误差分析

3.4.1误差与稳态误差的关系

3.4.2控制系统类型

3.4.3给定信号作用下的稳态误差

本章小结

习题

第4章线性系统的根轨迹法

4.1根轨迹的基本概念

4.1.1根轨迹的概念

4.1.2根轨迹方程

4.2根轨迹绘制的基本法则

4.2.1绘制根轨迹的基本法则

4.2.2闭环系统零点、极点与时间响应性能的关系

本章小结

习题

第5章线性系统的频率特性法

5.1频率特性的概述

5.1.1频率特性的基本概念

5.1.2开环传递函数典型环节的分解

5.1.3系统典型环节与开环频率特性的对应关系

5.2典型环节及系统开环频率特性的绘制

5.2.1典型环节的极坐标图

5.2.2系统开环极坐标图的绘制

5.2.3典型环节的对数坐标图

5.2.4系统开环对数坐标图的绘制

5.3频率域线性系统的稳定性分析

5.3.1奈氏判据中的相关概念

5.3.2奈奎斯特稳定判据的简化描述

5.3.3奈奎斯特稳定判据在频率特性曲线上的应用

5.4频率域线性系统的相对稳定性分析

5.4.1幅值穿越频率和相位裕量

5.4.2相位穿越频率和幅值裕量

5.4.3开环对数幅频特性曲线与系统性能之间的关系

本章小结

习题

第6章线性离散系统的分析

6.1线性离散系统的概述

6.1.1线性离散系统的基本结构

6.1.2线性离散系统的相关概念

6.2z变换理论

6.2.1z变换的描述

6.2.2z变换的求解方法

6.2.3z反变换

6.2.4z变换在求解差分方程中的应用

6.3离散系统的数学模型

6.3.1脉冲传递函数的定义

6.3.2脉冲传递函数的求解

6.3.3开环系统的脉冲传递函数

6.3.4闭环系统的脉冲传递函数

6.3.5脉冲传递函数与差分方程的相互转换

6.4离散系统的动态性能分析

6.5离散系统的稳定性分析

6.5.1z域内离散系统稳定的充分必要条件

6.5.2离散系统的劳斯稳定判据

6.6离散系统的稳态误差分析

6.6.1单位阶跃信号输入时系统的稳态误差

6.6.2单位斜坡信号输入时系统的稳态误差

6.6.3单位加速度信号输入时系统的稳态误差

本章小结

习题

第7章非线性系统分析

7.1非线性系统的基本概念

7.1.1非线性系统的数学描述

7.1.2非线性特性的分类

7.1.3非线性系统的特点

7.2非线性系统的描述函数分析法

7.2.1描述函数的基本概念

7.2.2求解非线性特性的描述函数

7.2.3用描述函数法分析非线性系统的稳定性

7.3非线性系统的相平面分析法

7.3.1相平面的基本概念

7.3.2绘制相轨迹

7.3.3用相平面法分析非线性系统

本章小结

习题

第8章线性系统的状态空间分析与综合

8.1线性系统的状态空间描述

8.1.1线性系统状态空间描述的基本概念

8.1.2线性定常系统状态空间表达式的建立方法

8.1.3线性定常系统状态方程的解

8.1.4状态空间表达式与系统传递函数矩阵的关系

8.2线性系统的可控性与可观性

8.2.1可控性与可观测性的基本概念

8.2.2线性定常系统可控性和可观性的判断方法

8.3线性定常系统的线性变换

8.3.1线性定常系统状态空间表达式的线性变换

8.3.2线性定常系统结构分解

8.4线性定常系统的反馈结构及状态观测器

8.4.1线性定常系统的反馈结构及其对系统特性的影响

8.4.2线性定常系统的极点配置

8.4.3全维状态观测器及其设计

8.5李雅普诺夫稳定性分析

8.5.1基本概念

8.5.2线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析

本章小结

习题

下篇

第9章自动控制理论的综合

9.1线性系统数学模型的建立方法

9.1.1原理描述

9.1.2举例说明数学模型的建立及求解方法

9.2线性系统时域分析法的应用

9.2.1由系统结构图或响应曲线确定传递函数或系统中的参数

9.2.2确定系统的传递函数并分析稳定性和稳态误差等情况

9.2.3由开环传递函数确定主导极点与闭环系统动态特性的关系

9.2.4由状态反馈矩阵求解与时间t=0有关的系数矩阵A

9.3线性系统根轨迹法的应用

9.4线性系统频率特性法的应用

9.4.1线性系统频率特性法描述

9.4.2线性系统频率特性与传递函数的关系

9.5线性离散控制系统的设计及应用

9.6非线性系统的设计及应用

9.6.1用描述函数法分析非线性系统

9.6.2用相平面法分析非线性系统

9.6.3非线性系统性能分析

9.7状态空间法设计及应用

9.7.1确定状态空间表达式的相关问题

9.7.2给定状态空间表达式或传递函数确定相关问题

9.7.3设计状态反馈及状态反馈矩阵K

9.7.4已知状态空间表达式设计全维状态观测器

9.7.5线性离散系统的状态空间表达式求解及稳定性分析

9.8控制系统的综合校正与设计

9.8.1基础知识介绍

9.8.2由已知条件对系统进行校正实现

附录A

参考文献 2100433B

《自动控制原理》一书,比较全面地阐述了自动控制的基本理论及应用。全书共分9章,主要包括自动控制系统建模、时域分析法、根轨迹法、频域分析法、离散系统分析、非线性系统分析、线性系统理论、最优控制理论。