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该书全面地阐述经典控制理论的基本概念、原理和自动控制系统的各种分析方法。主要内容包括：控制系统的数学模型、线性控制系统的时域响应分析法、线性控制系统的根轨迹分析法、线性控制系统的频域分析法、线性控制系统的校正方法；非线性控制系统的分析、线性离散控制系统的分析与设计。该书取材先进实用，讲解深入浅出，各章选例和习题丰富，且均有用MATLAB/Simulink编写的仿真及解题实例，便于读者自学。本次修订，主要根据立体化教材建设的思路和新形态图书建设的要求，不仅在教材的各个章节中增加了微课视频资料，而且在书外也提供了配套的教学网站。另外在书中也修改、增加/完善和调整了个别章节的内容，并对第1~5章和第7章中的图进行了规范，修订了错误。使修订后的书，在基本概念部分更为准确、合理和逻辑；在例题部分更为完善，做到每个重要概念后面都有例题与之对应，使学生便于自学。使修订后书内容新颖，实用性强，理论与应用密切结合。

第1章  绪论	（1）
1.1  自动控制的定义	（1）
1.2  自动控制系统的组成	（4）
1.3  自动控制系统的基本控制方式	（5）
1.4  自动控制系统的分类	（6）
1.5  自动控制系统的基本要求	（8）
1.6  自动控制理论的产生和发展	（10）
小结	（15）
习题	（15）
第2章  控制系统的数学模型	（17）
2.1  微分方程	（17）
2.1.1  微分方程的建立	（18）
2.1.2  微分方程的增量表示	（23）
2.1.3  非线性微分方程的线性化	（24）
2.2  传递函数	（26）
2.2.1  传递函数的定义	（26）
2.2.2  传递函数的常用形式	（29）
2.2.3  传递函数的特点	（30）
2.2.4  典型环节的传递函数	（31）
2.3  结构图	（35）
2.3.1  结构图的概念	（35）
2.3.2  结构图的简化	（36）
2.4  信号流图	（43）
2.4.1  信号流图的概念	（44）
2.4.2  信号流图的绘制	（45）
2.4.3  信号流图的简化	（46）
2.4.4  梅逊增益公式	（47）
2.5  利用MATLAB描述和求解系统数学模型	（49）
2.5.1  利用MATLAB描述系统数学模型	（49）
2.5.2  利用MATLAB实现数学模型间的转换	（50）
2.5.3  利用MATLAB化简系统数学模型	（51）
小结	（52）
习题	（53）
第3章  线性控制系统的时域分析法	（55）
3.1  时域分析的基础知识	（55）
3.1.1  典型输入信号	（55）
3.1.2  系统时域响应的形式	（57）
3.1.3  系统时域响应的性能指标	（58）
3.2  系统的稳定性	（60）
3.2.1  稳定性的基本概念	（60）
3.2.2  线性控制系统稳定的条件	（61）
3.2.3  代数稳定判据	（63）
3.2.4  系统参数对稳定性的影响	（66）
3.2.5  相对稳定性和稳定裕量	（67）
3.3  系统的时域响应	（67）
3.3.1  一阶系统的时域响应	（67）
3.3.2  二阶系统的时域响应	（69）
3.3.3  高阶系统的时域响应	（77）
3.4  系统的稳态误差	（80）
3.4.1  稳态误差的定义	（80）
3.4.2  静态误差系数法	（81）
3.4.3  动态误差系数法	（83）
3.4.4  给定信号和扰动信号同时作用下的稳态误差	（85）
3.5  基于MATLAB的控制系统时域分析	（87）
3.5.1  利用MATLAB分析系统的稳定性	（87）
3.5.2  利用MATLAB分析系统的动态特性	（87）
3.5.3  利用MATLAB计算系统的稳态误差	（90）
小结	（91）
习题	（92）
第4章  线性控制系统的根轨迹分析法	（95）
4.1  根轨迹分析的基础知识	（95）
4.1.1  根轨迹的基本概念	（95）
4.1.2  根轨迹的基本条件	（97）
4.2  绘制根轨迹的基本规则	（98）
4.2.1  负反馈系统的根轨迹	（98）
4.2.2  正反馈系统的根轨迹	（108）
4.2.3  180°等相角根轨迹和0°等相角根轨迹	（110）
4.3  参数根轨迹的绘制	（111）
4.3.1  单参数根轨迹	（111）
4.3.2  多参数根轨迹	（113）
4.4  纯迟延根轨迹的绘制	（114）
4.5  利用根轨迹分析控制系统	（117）
4.5.1  利用根轨迹定性分析	（118）
4.5.2  利用根轨迹定量分析	（119）
4.6  利用MATLAB进行根轨迹分析	（122）
4.6.1  绘制系统根轨迹和获得根轨迹增益	（122）
4.6.2  绘制阻尼系数和自然频率的栅格线	（124）
小结	（125）
习题	（125）
第5章  线性控制系统的频域分析法	（129）
5.1  频域分析的基础知识	（129）
5.1.1  频率特性的基本概念	（129）
5.1.2  频率特性的表示方法	（131）
5.2  典型环节的频率特性	（133）
5.2.1  比例环节	（133）
5.2.2  积分环节	（134）
5.2.3  微分环节	（134）
5.2.4  一阶惯性环节	（135）
5.2.5  一阶比例微分环节	（137）
5.2.6  二阶振荡环节	（137）
5.2.7  纯滞后环节	（139）
5.3  系统的开环频率特性	（140）
5.3.1  开环频率特性的3种图示法	（140）
5.3.2  最小相位系统的开环频率特性	（147）
5.3.3  奈奎斯特稳定判据	（150）
5.3.4  控制系统的稳定裕量	（159）
5.4  系统的闭环频率特性	（162）
5.4.1  等M圆（等幅值轨迹）和等N圆（等相角轨迹）	（162）
5.4.2  利用等M圆和等N圆求系统的闭环频率特性	（164）
5.4.3  利用尼科尔斯（Nichols图）求系统的闭环频率特性	（166）
5.5  利用频率特性对系统进行分析	（167）
5.5.1  系统频域特性与稳态性能的关系	（167）
5.5.2  系统频域特性与时域性能的关系	（168）
5.6  基于MATLAB的控制系统频域分析	（171）
5.6.1  利用MATLAB绘制佰德图（Bode图）	（171）
5.6.2  利用MATLAB绘制奈奎斯特图（Nyquist图）	（172）
5.6.3  利用MATLAB绘制尼科尔斯图（Nichols图）	（173）
5.6.4  利用MATLAB计算系统的相角裕量和幅值裕量	（173）
5.6.5  利用MATLAB绘制系统的闭环频率特性曲线	（174）
小结	（175）
习题	（176）
第6章  线性控制系统的校正方法	（180）
6.1  线性控制系统的基础知识	（180）
6.1.1  性能指标	（180）
6.1.2  校正方式	（181）
6.2  串联校正	（182）
6.2.1  串联校正装置及其特性	（182）
6.2.2  频率法串联校正	（188）
6.2.3  根轨迹法串联校正	（197）
6.3  反馈校正	（207）
6.3.1  反馈校正的原理	（207）
6.3.2  反馈校正的设计	（208）
6.4  复合校正	（209）
6.4.1  按输入补偿的复合校正	（209）
6.4.2  按扰动补偿的复合校正	（211）
6.5  基于MATLAB的控制系统校正	（212）
6.5.1  利用MATLAB实现频率法的串联校正	（212）
6.5.2  利用MATLAB实现根轨迹法的串联校正	（216）
小结	（220）
习题	（221）
第7章  非线性控制系统的分析	（224）
7.1  非线性控制系统的基础知识	（224）
7.1.1  非线性系统的特点	（224）
7.1.2  常见的非线性特性	（226）
7.1.3  非线性系统的分析方法	（228）
7.2  相平面分析法	（228）
7.2.1  相平面概述	（228）
7.2.2  相轨迹图的绘制	（234）
7.2.3  由相轨迹图求系统的暂态响应	（238）
7.2.4  控制系统的相平面分析	（239）
7.3  描述函数分析法	（245）
7.3.1  描述函数概述	（246）
7.3.2  典型非线性环节的描述函数	（247）
7.3.3  非线性系统的描述函数法分析	（250）
7.3.4  非线性系统的简化	（256）
7.4  基于MATLAB的非线性系统分析	（257）
7.4.1  利用MATLAB求解非线性系统的线性化模型	（257）
7.4.2  基于MATLAB的相平面法分析非线性系统	（259）
7.4.3  基于MATLAB的描述函数法分析非线性系统	（262）
小结	（263）
习题	（264）
第8章  线性离散控制系统的分析与设计	（267）
8.1  线性离散控制系统的基础知识	（267）
8.1.1  信号的采样	（268）
8.1.2  信号的保持	（271）
8.2  z变换及其反变换	（273）
8.2.1  z变换定义	（273）
8.2.2  z变换方法	（274）
8.2.3  z变换的基本定理	（275）
8.2.4  z反变换	（278）
8.3  离散控制系统的数学模型	（279）
8.3.1  差分方程	（279）
8.3.2  脉冲传递函数	（281）
8.4  离散控制系统的稳定性分析	（286）
8.4.1  离散控制系统稳定的条件	（286）
8.4.2  代数稳定判据	（287）
8.5  离散控制系统的动态性能	（289）
8.5.1  离散系统的输出响应	（289）
8.5.2  闭环零点、极点分布对瞬态响应的影响	（290）
8.5.3  离散系统的根轨迹分析	（293）
8.6  离散控制系统的稳态误差	（294）
8.6.1  典型输入信号下的稳态误差	（294）
8.6.2  扰动信号作用下的稳态误差	（296）
8.7  离散控制系统的校正	（296）
8.7.1  采用伯德图（Bode图）的校正方法	（297）
8.7.2  最少拍控制系统的校正	（298）
8.8  基于MATLAB的离散控制系统分析	（300）
8.8.1  利用MATLAB实现z变换	（300）
8.8.2  利用MATLAB实现连续系统的离散化	（301）
8.8.3  利用MATLAB分析离散控制系统的稳定性	（301）
8.8.4  利用MATLAB计算离散系统的稳态误差	（302）
8.8.5  利用MATLAB分析离散系统的动态特性	（302）
小结	（304）
习题	（304）
附录A  拉普拉斯变换	（306）
附录B  习题参考答案	（311）
附录C  对数坐标纸	（318）
参考文献	（319）

中国共产党第二十次全国代表大会报告指出：“我们要坚持教育优先发展、科技自立自强、人才引领驱动，加快建设教育强国、科技强国、人才强国，坚持为党育人、为国育才，全面提高人才自主培养质量，着力造就拔尖创新人才，聚天下英才而用之。”本书从自动控制理论学科入手贯彻落实这一精神。自动控制理论不仅是高等学校自动化及其他电类专业的一门核心基础理论课，而且在机械、化工等非电类工程专业的课程设置中也占有重要地位。特别是近年来，由于自动控制技术在各行各业的广泛渗透，其控制理论已逐渐成为高等学校许多学科共同的专业基础，且占有越来越重要的地位。
本书自2010年8月出版以来，得到广大读者的关心和支持，被国内多所大学选为教材。这次修订在保持前三版系统、实用、易读的特点和基本框架的基础上，不仅修改、增加/完善和调整了个别章节的内容，还提供了与教材配套的课程教学网站，符合立体化教材建设的思路和新形态图书建设的要求，力求使内容更准确、合理和完整，符合自动化专业培养目标，反映自动化专业教育改革方向，满足自动化专业教学需要和多学科交叉的教学需求，符合学校推进高等教育国家级一流本科课程“双万计划”建设和实现特色化发展的需要。
本书按照“理论讲透，重在应用”的原则，系统地论述了以下几方面的内容：
（1）自动控制的定义及自动控制系统的组成、基本控制方式、分类和基本要求。
（2）控制系统的数学模型，包括微分方程的建立和增量表示、非线性微分方程的线性化、传递函数、结构图、信号流图和利用MATLAB描述和求解系统数学模型等。
（3）线性控制系统的时域分析法，包括典型输入信号、系统的稳定性、一阶系统的时域响应、二阶系统的时域响应、高阶系统的时域响应、系统的稳态误差和基于MATLAB的控制系统时域分析等。
（4）线性控制系统的根轨迹分析法，包括常规根轨迹的绘制、参数根轨迹的绘制、纯迟延根轨迹的绘制、利用根轨迹分析控制系统和基于MATLAB的根轨迹分析等。
（5）线性控制系统的频域分析法，包括典型环节的频率特性、系统的开环频率特性、Nyquist（奈奎斯特）稳定判据、控制系统的稳定裕量、系统的闭环频率特性、利用频率特性对系统进行分析和基于MATLAB的控制系统频域分析等。
（6）线性控制系统的校正方法，包括校正装置及其特性、频率法串联校正、根轨迹法串联校正、反馈校正、复合校正和基于MATLAB的控制系统校正等。
（7）非线性控制系统的分析，包括常见的非线性特性、相平面分析法、描述函数分析法和基于MATLAB的非线性系统分析等。
（8）线性离散控制系统的分析与设计，包括采样过程与采样定理、采样信号的保持、Z变换、离散控制系统的数学模型、离散控制系统的稳定性分析、离散控制系统的动态性能、离散控制系统的稳态误差、离散控制系统的校正和基于MATLAB的离散控制系统分析。
全书遵循由浅入深、循序渐进的原则，各章选例和习题丰富，且均有用MATLAB/Simulink编写的仿真及解题实例，强调了现代化的解题方法。
全书包括8章和3个附录：第1章由任密蜂编写；第2章由李虹编写；第3章由成慧翔编写；第4章由吝伶艳编写；第5章由马艳娥编写；第6章由梁金蕊编写；第7章由乔学工编写；第8章由王芳编写；附录由李国勇编写。全书由李国勇教授统稿。李岚教授和杜欣慧教授主审了全书，在此表示衷心感谢。此外，还要感谢责任编辑牛平月女士为本书的出版所付出的辛勤工作。
本教材适用总学时数为48～96（3～6学分），其中课堂教学42～82学时，实验6～14学时。各章节编排具有相对的独立性，不仅便于教师与学生取舍，也便于不同层次院校的不同专业选用，以适应不同教学学时的需要。
本书提供配套的电子课件，可登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn），注册后免费下载。
作者学校与本书对应的《自动控制理论》课程，2009年被评为山西省高等学校精品课程，2013年被评为山西省高等学校精品资源共享课，2020年被认定为山西省高等学校精品共享课程，如欲了解其课程内容及教学思路等，请扫描右面二维码，便可观看相应的视频。
由于编者水平有限，错误和不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。 

编  者

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自动控制原理（第4版）