本书以自动控制系统为背景，以原“自动控制原理”为主要内容。把“自动控制原理”明确看成是在“信号与系统”理论基础之上建立起来的，因而比一般“自动控制原理”包含更多的“信号与系统”的内容，从而使理论体系更趋科学、合理。

本书特点
　　●选材力求侧重基础、结合实际。
　　●叙述力求准确清晰，非重点内容用仿宋体排印。
　　●备有MATLAB举例、习题及其解答。

无

本书可作为普通高等学校本科的自动化专业和其他专业“自动控制原理”课程的教材或教学参考书，参考学时为100~140学时。
本书特色鲜明：选材力求侧重基础、结合实际；叙述力求准确清晰、深入浅出，非重点内容用仿宋体排印，篇幅较短；备有MATLAB举例、习题及部分答案；配套的课件可在机械工业出版社的网站上下载。本书面向一般院校，尤其对非重点院校的师生更为合适。
本书的最大特点是：以“信号与系统”理论为基础，因而比一般“自动控制原理”包含更多的“信号与系统”的内容，从而使理论体系更趋科学合理。因此，特别适合不另开设“现代控制理论”和“信号与系统”课程的学校使用。
近年来不少学校的自动化专业新开设了“信号与系统”课程，使得原“自动控制原理”这门课分成了3门课，即“反馈控制理论”、“现代控制理论”和“信号与系统”。在笔者看来，这在实际教学上难以顾及学科的完整性和连续性，流弊重重。
有些开设了“信号与系统”的学校为了避免“信号与系统”与“积分变换”内容的重复，取消了“积分变换”这门课。这不但严重影响了“电路”课的教学；而且也削弱了“积分变换”作为一门数学课的严密性。
经过思考和实践，笔者逐渐形成了下述观点和做法：
1作为一门工程数学和“电路”、“电工学”的基础，“积分变换与复变函数”不宜取消，也不宜在另一门课中大量重复。
2“自动控制原理”是建立在“信号与系统”的理论基础之上的。通常“自动控制原理”中的大部分内容，如微分方程、卷积、传递函数、结构图、信号流图、稳定性、根轨迹、频率特性、奈氏判据、稳定裕量、z变换与z传递函数、状态方程、非线性系统等，从概念和应用上都与一般系统相联系。如果把这些都算做“信号与系统”的内容，则“自动控制原理”自身的内容就只剩下控制性能、系统综合等很少的内容。笔者认为，与其零碎地涉及信号与系统的理论，倒不如较系统地介绍相关的概念。这能使理论体系还其本来面目，从而有利于“自动控制原理”自身的阐述和发展。
3本书是以自动控制系统为背景，以原“自动控制原理”为主要内容。主要线索是由一般系统到控制系统，即一般理论是控制理论的基础，控制理论是一般理论的应用。积分变换主要作为复习来叙述。大部分篇幅仍是原“自动控制原理”的内容，但从一般信号与系统的高度来看待，这使很多基本概念的阐述更加严谨全面，同时对“信号与系统”也有了基础性的了解。
4教学分两个学期进行：上学期是经典连续部分，下学期是离散、现代和非线性部分。
本书的其他特点还有：
1理论联系实际。几乎在所有的章节都配合实例，以解决实际工程问题为主要目的，引入或应用基本概念，同时还安排了不少联系实际、扩大知识面的习题。
2选材侧重基础。尽量避免理论性和工程性过强的内容，次要的结论、公式、图表予以删除。
3层次清晰。把信号分析与系统分析、一般系统与控制系统、连续与离散、时域与频域、经典与现代分开叙述，希望能更容易被读者接受。首次出现的名词、概念以黑体标出，非重点内容以仿宋体排印。
4最后一章是MATLAB举例。可作为MATLAB的上机指导书。读者可以在阅读前面章节的同时，随时依据这一章来上机，这将有利于对理论的理解。
5篇幅较短，兼顾非重点院校。
6配套课件可在机械工业出版社的网站上下载。
使用本书时，不必一次全看懂。用做教学时，应选择最基础的内容重点讲解（课件基本上都需讲解），不宜面面俱到。很多段落和句子可以自学，有些内容可以宣布不考试，习题也不必每题都会做。
本书由罗抟翼主编。第1、3、4、5、9章由罗抟翼执笔，第2、10章由付家才执笔，第111~118节、习题答案由王正执笔，第6章由王丽梅执笔，第7、8章由程桂芬执笔，第119~1110节由吴伟执笔。课件由王正、王丽梅根据正文缩编、制作。全书由罗抟翼修改定稿。
本书的初稿曾经刘春芳、吴伟、刘爱民、王雪丹、江志成等老师阅读，并提出了不少宝贵的意见，在此特致诚挚的谢意。
书中的不足和错误之处，恳请读者给予指正。


作者
2007年10月于沈阳工业大学

前言
教学建议


第1章绪论
11信号与系统
111信号与信号处理
112几种类别的信号
113信号的分析与综合
114系统
115系统的数学模型
116信号与系统理论
12系统的分类
121定常系统与时变系统
122线性系统与非线性系统
123确定性系统与随机信号系统
124即时系统与动态系统
125可逆系统与不可逆系统
126连续时间系统与离散时间
系统
127单输入单输出系统与多输入
多输出系统
128一维信号系统与多维信号
系统
129非线性特性的小偏差线性化
13自动控制工程与自动控制理论
131自动控制工程
132自动控制理论
133反馈控制系统及其组成
134开环控制
135前馈补偿和复合控制
136基本控制方式
137恒值系统与随动系统
138电力传动系统、过程控制系统与
液压控制系统
139控制理论的回顾
1310自动控制工程与信号处理的
关系
1311本书概要
1312学习目的和方法
本章小结
习题
第2章连续信号的频域分析
21周期信号的傅里叶级数
211三角形式的傅里叶级数
212指数形式的傅里叶级数
22傅里叶积分与傅里叶变换
221傅氏积分与傅氏变换的概念
222信号的频谱密度与频域分析
223单位脉冲函数δ(t)的复习
224几种重要信号的频谱
225周期信号的傅氏变换
226傅氏变换表
23傅氏变换的基本性质
24拉普拉斯变换
241双边拉氏变换
242单边拉氏变换
243单边拉氏变换的基本性质
244拉氏反变换
245拉氏变换的应用
本章小结
习题
第3章线性连续系统的时域分析
31线性常系数常微分方程及其解
311线性常系数常微分方程的
经典解
312用拉氏变换法解初值问题
313零输入响应与零状态响应
314线性系统定义的修正
315响应的暂态分量与稳态分量
32线性定常系统的脉冲响应函数与
卷积
321脉冲响应函数和卷积
322脉冲响应函数的数值求法
323因果系统
324小结
33因果线性定常系统的传递函数
331传递函数的定义
332传递函数与微分方程的关系
333关于传递函数的一些规律
334延迟环节
335系统的静态数学模型
34动态结构图及其等效变换
341动态结构图
342结构图的等效变换
35信号流图与梅逊公式
351信号流图
352梅逊公式
36实际系统的结构图
361引言
362机械系统
363电气系统
364液位系统
365热力系统
366小结
37BIBO稳定性
371BIBO稳定的概念
372线性定常系统BIBO稳定的
充要条件
373传递函数BIBO稳定的充要
条件
38零输入稳定性
381零输入稳定性的概念
382零输入稳定的一些实际情况
383零输入稳定的充要条件
384微分环节的零输入稳定性
385BIBO稳定性和零输入稳定性的
区别和联系
386临界不稳定
387不稳定系统的全响应
39代数稳定判据
391引言
392传递函数稳定的必要条件
393赫尔维茨判据
394劳斯判据
395代数稳定判据应用于控制
系统
本章小结
习题
第4章控制系统的时域分析与校正
41控制系统的时域性能指标
411典型输入信号
412单位阶跃扰动下的动态性能
指标
413阶跃扰动时的误差和稳态
误差
414单位阶跃响应的代表性
415阶跃给定下的动态性能指标
416阶跃给定下的稳态误差
417抗扰性能与跟随性能的关系
42一阶系统的性能计算
421一阶系统的实例
422一阶系统的单位阶跃响应
423一阶系统的脉冲响应和斜坡
响应
43二阶系统的性能计算
431典型二阶系统
432二阶系统的单位阶跃响应
44高阶系统动态性能的计算
441高阶系统的阶跃响应
442高阶系统暂态响应的特点
45用终值定理计算稳态误差
451引言
452用终值定理计算给定稳态
误差
453用终值定理计算扰动稳态
误差
46反馈控制系统的根轨迹
461由开环传递函数分析闭环
动态性能
462根轨迹图
463幅值条件和相角条件
464徒手绘制根轨迹的基本法则
47根轨迹法分析与校正
471由开环传递函数分析闭环
性能
472开环系统中的其他参数对闭环
性能的影响
473校正
474串联超前校正
475串联滞后校正
476串联滞后-超前校正
48PID调节器
481什么是PID调节器
482PID调节作用的时域解释
483PID调节器参数的实验整定
49前馈补偿
491按扰动的前馈补偿
492按给定的前馈补偿
本章小结
习题
第5章线性连续系统的频域分析
51线性定常系统的频率特性函数
511频率特性函数
512稳定系统的正弦稳态响应
513理想滤波器
514频率特性的实验测定和频域
分析法
515几点补充
52频率域滤波原理
521频率域滤波的概念
522无失真传输的条件
523线性相位滤波器
53非因果系统与因果系统
531非因果系统
532脉冲响应函数、传递函数与
频率特性的适用范围
54巴特沃斯滤波器
541巴特沃斯低通滤波器
542巴特沃斯高通滤波器
55对数频率特性曲线
551对数幅频特性曲线
552对数相频特性曲线
553典型环节的对数频率特性
曲线
56串联系统的波德图
561一般规律
562串联系统波德图的简捷画法
563最小相位系统的波德图
564从实验的频率特性曲线求传递
函数
57幅相频率特性曲线
571幅相频率特性曲线的画法
572串联系统的幅相频率特性
曲线
573最小相位系统幅相频率特性
曲线的特点
本章小结
习题
第6章控制系统的频域分析
与校正
61闭环频率特性与时域动态性能的
关系
611闭环频率特性
612二阶系统
613高阶系统
62奈奎斯特稳定判据
621由开环频率特性分析闭环
动态性能
622开环无纯虚数极点时的奈
氏判据
623开环串联有积分环节时的
奈氏判据
624开环没有右半开平面上的
极点的情况
625开环串联有延迟环节时的
奈氏判据
626已知开环波德图时的稳定性
判断
63最小相位系统的稳定裕量
631定义
632在开环波德图上看稳定裕量
633相位裕量的计算
634开环对数幅频曲线与稳定性
的关系
635开环传递函数的简化
636小结
64开环频率特性与其他闭环性能的
关系
641单位反馈的二阶系统
642高阶系统
643由开环频率特性曲线绘制闭环
频率特性曲线
644开环对数幅频曲线与稳态精度
的关系
645开环对数幅频曲线的高频
部分
65串联超前校正
651频率法校正
652超前校正装置
653用波德图说明串联超前校正
原理
654用波德图进行超前校正的
步骤
66串联滞后校正
661滞后校正原理
662滞后校正步骤
67串联滞后-超前校正和PID
调节器
671串联滞后-超前校正
672PID调节器
68频率法反馈校正
681反馈结构的基本特点
682反馈校正与反馈结构的优点
683反馈校正对控制性能的改善
684试凑法的小结
本章小结
习题
第7章离散信号的频域分析
71离散信号与离散系统
711实际信号的谱分析
712数字滤波
713计算机控制系统
714数字传输电话
715离散信号与离散系统
72序列的傅里叶积分与频谱函数
721序列傅氏变换
722举例
723连续信号与其采样序列频谱的
关系
724采样定理
725序列傅氏变换的性质
73序列的z变换
731序列的双边z变换
732因果序列的单边z变换
733z变换表
74z反变换
741定义
742z反变换的方法
75z变换的性质
本章小结
习题
第8章线性离散系统的分析
与综合
81常系数线性差分方程及其解
811微分方程的差分近似
812常系数线性差分方程
813差分方程初值问题的迭代
解法
814非因果系统和因果系统
815因果线性定常差分方程的
初值问题
816差分方程初值问题的经典解
817z变换法解差分方程的初值
问题
82脉冲响应函数与卷积
83线性定常离散系统的z传递函数
831z传递函数的定义
832因果系统z传递函数与差分
方程的关系
833静态数学模型
834动态结构图及其等效变换
835零阶保持器及其后面连续系统
的离散化
836闭环采样系统的z传递函数
84离散系统的稳定性
841稳定性的定义
842稳定的充分必要条件
843用w变换判断因果系统z传递
函数的稳定性
85采样控制系统的时域性能分析
851用z变换法求时域响应的例
852z传递函数与暂态响应的
关系
853最少拍系统
854采样控制系统的稳态误差
855根轨迹法
86线性定常离散系统的频率特性
861频率特性的定义
862频率特性与z传递函数的
关系
863正弦稳态响应
87数字滤波原理和FIR滤波器
871数字滤波的目的和思路
872IIR滤波器与FIR滤波器
873FIR滤波器的稳定性
874FIR滤波器设计的时窗法
875小结
88IIR滤波器
881IIR滤波器的特点
882脉冲响应不变法设计IIR
滤波器
883双线性变换法设计IIR
滤波器
884小结
89采样控制系统的连续系统等效
分析与校正
891采样控制系统频域分析的
困难性
892计算机控制系统的特点和
对策
893零阶保持器的延迟作用
894连续系统等效分析法
895连续系统等效校正法
810采样控制系统的离散化校正
8101引言
8102闭环z传递函数的期望主导
极点
8103根轨迹法校正
本章小结
习题
第9章系统的状态空间分析与
综合
91多输入多输出系统
911多输入多输出系统的概念
912线性定常系统的传递函数
矩阵
913传递函数矩阵的解耦
914脉冲响应函数矩阵与卷积
92状态方程
921状态方程的概念
922状态变量图
923最小实现
924状态变量的另一种定义
925由实际系统列写动态方程
926非线性时变系统的动态方程
93状态变换
931状态变换的概念
932化动态方程为对角标准形
933化动态方程为若当标准形
94动态方程与传递函数矩阵的
关系
941由动态方程求传递函数矩阵
942系统矩阵特征值与传递函数
极点的关系，输出的稳定性
943单输入单输出系统的能控形
实现
944传递函数的分子分母阶次相同
的情况
945单输入单输出系统的能观形
实现
946单输入单输出系统的特征值
标准形实现
947小结
95状态方程的解
951状态方程的初值问题
952矩阵指数
953齐次状态方程的解
954直接法计算eAt
955拉氏变换法计算eAt
956状态变量的稳定性
957状态转移矩阵
958矩阵指数（状态转移矩阵）的
性质
959非齐次状态方程的解
96系统的状态能控性
961引言
962状态能控性的概念
963凯莱-哈密顿定理
964线性定常系统的能控性判据
965系统矩阵是对角阵时的能控
性判据
966系统矩阵是若当阵时的能控
性判据
967能控标准形的能控性
968化状态方程为能控标准形
969输出能控性
97基于状态反馈设计控制器
971问题的提出
972单输入多输出系统的状态
反馈
973举例
974小结
98系统的状态能观测性
981状态观测问题
982状态的能观测性
983线性定常系统的能观性判据
984系统矩阵是对角阵时的能观
性判据
985系统矩阵是若当阵时的能观
性判据
986能观标准形的能观性
987对偶原理
988化状态方程为能观标准形
99状态观测器
991状态观测器的概念
992举例
993降阶观测器及卡尔曼滤波器
994带状态观测器的状态反馈
系统
910系统的结构分解与最小实现
9101系统的结构分解
9102单输入单输出系统传递函数的
零极点对消问题
9103传递函数矩阵的零极点对消
问题
9104最小实现与能控能观性的
关系
9105最小实现之间的关系
911离散系统的状态空间分析
9111离散系统的动态方程
9112离散系统的状态变量图
9113由动态方程求z传递函数
矩阵
9114单输入单输出系统的实现
9115连续状态方程的离散化
9116线性定常离散状态方程
的解
9117离散系统状态变量的
稳定性
9118状态能控性和能观测性
9119离散状态观测器
91110采样控制系统的综合
本章小结
习题
第10章非线性系统与李雅普
诺夫稳定性
101控制系统中的非线性
1011连续的非线性
1012分段线性的非线性
1013非线性系统及其特点
1014本章概要
102李雅普诺夫稳定性
1021李雅普诺夫运动稳定性
1022系统的平衡状态
1023平衡状态的稳定性
1024运动的渐近稳定性
1025运动稳定性与平衡状态稳定
性的关系
103李雅普诺夫第一法
1031把状态方程在平衡状态附近
线性化
1032李氏第一法
104李雅普诺夫第二法
1041标量函数的正负
1042李氏第二法的基本定理
1043大范围渐近稳定性的判断
1044小结
105二阶自治系统的相平面分析
1051相平面图
1052相轨迹的特点
1053画相平面图的等斜线法
1054线性定常系统奇点的类型
1055非线性系统的相平面分析
106用描述函数法讨论非线性
系统的自振荡问题
1061引言
1062一类非线性系统的正弦
响应
1063描述函数
1064反馈系统自振荡的必要
条件
1065基波近似下奈氏判据的
推广
1066基波近似下的自振荡分析
1067小结
本章小结
习题
第11章MATLAB举例
111MATLAB概述
1111MATLAB的特点
1112MATLAB的工作环境
1113与Word的接口
112基本语法
1121变量
1122矩阵的赋值
1123矩阵的初等运算
1124元素群运算
1125关系运算与逻辑运算
1126流程控制
1127基本绘图方法
1128M文件
113连续信号的频域分析
1131周期信号傅氏级数的演示
1132信号的频谱
114线性连续系统的时域分析
1141传递函数的建立和连接
1142由传递函数求单位阶跃
响应
1143由传递函数求单位斜坡
响应
1144由传递函数求脉冲响应
函数
1145由传递函数求任意输入的
零状态响应
1146多项式的根和稳定性判断
115反馈系统的根轨迹
1151一般画法
1152零-极-增益模型
1153求指定根的根轨迹增益
116连续系统的频域分析
1161由传递函数求频率特性
1162由传递函数画波德图
1163由传递函数画奈奎斯特图
1164正弦稳态响应的演示
1165频率域滤波原理
1166由传递函数求稳定裕量
117离散信号与系统
1171离散信号的频谱分析
1172迭代法解差分方程求全
响应
1173由z传递函数求脉冲响应
函数
1174用“控制系统工具箱”中的
函数求响应
1175由z传递函数求频率特性
1176数字滤波原理
1177连续系统的离散化
118状态空间分析
1181传递函数矩阵的模型
1182传递函数矩阵的响应
1183传递函数矩阵的实现
1184直接建立动态方程
1185由动态方程求传递函数
矩阵
1186特征值与特征向量
1187矩阵指数
1188状态空间模型的响应
1189能控性阵和能观性阵的
计算
11810矩阵的秩
11811离散系统和采样系统
119带有延迟环节的系统
1191Simulink简述
1192延迟环节
1110非线性系统
11101继电特性
11102自振荡现象的演示
附录A傅里叶变换简表
附录B拉普拉斯变换简表
附录C本书所用的MATLAB 函数
部分习题参考答案
参考文献