前言

　　工科学生学习自动控制理论和方法的目的是培养将其应用于各自的专业方向上解决实际问题的能力，因此控制工程基础课程的教材既需要阐述自动控制的基础理论，也需要详细论述分析和设计系统的方法。所阐述的基础理论需要作必要的数学论证，所论述的分析和设计方法应具有实用性。

　　本书内容安排的线索如下。分析设计控制系统，首先需要建立控制环节的数学模型，一般是微分方程。要了解控制环节的动态响应，需要解微分方程。因此介绍了线性微分方程的解的理论，并引出拉普拉斯变换和传递函数的概念。利用传递函数可以求一阶、二阶系统的瞬态响应，并得到瞬态响应特性与极点的关系。再讨论一般系统的瞬态响应特性与极点、零点分布的关系。然后介绍控制系统的总体结构框图。以一个温度控制系统为例，探讨控制系统的工作机制，引出对稳态误差问题的讨论。在降低系统的稳态误差的尝试中发现系统的稳定性问题，引出稳定性理论。使用奈奎斯特稳定性判据需要画奈奎斯特图，其后在系统的频率响应特性部分指出奈奎斯特图是频率特性的一种表达形式。然后讨论系统在开环、闭环、时域、频域上的特性之间的关系，意图融会贯通之前的理论。根据闭环时域与开环频率特性之间的关系，导出理想的开环频率特性和较优的开环系统模型。然后论述各种控制器的原理和设计方法。在数字控制系统方面，意图借助s平面与z平面的映射关系，以较短的篇幅论述离散传递函数的极点对应的动态响应特性； 数字控制器的设计也采用模拟离散变换方法，用较短的篇幅完成数字控制器实现方法的探讨。

　　本书共18章，各章的题目如下（如果某一章中有比较有特色的内容，则在其题目后略作介绍）：

　　第1章，绪论。

　　第2章，控制环节的数学描述。建立了机械、模拟电路和机电等多种控制环节的微分方程。

　　第3章，拉普拉斯变换与传递函数。关于线性微分方程的解的理论是经典控制理论的基础，本章对此作了简单介绍。

　　第4章，系统的瞬态响应特性。对含有多个极点或零点的系统的瞬态响应特性作详细阐述。

　　第5章，控制系统的框图和传递函数。

　　第6章，反馈控制系统的工作机制和稳态误差。本章通过尝试设计一个温度控制系统的控制器，说明反馈控制系统的工作机制。

　　第7章，系统的稳定性与劳斯赫尔维茨判据。对含有实部为0的多重极点的系统，联系微分方程的解的理论，讨论了其稳定性。

　　第8章，奈奎斯特稳定性判据。

　　第9章，系统的频率响应特性。介绍了系统开环增益交越频率处的闭环增益与相位裕量的关系。

　　第10章，闭环时域特性与开环频域特性的关系。利用控制系统的开环频率特性进行闭环性能分析和控制器设计是经典控制理论中频率特性法的核心。这一方法的基础是系统的闭环时域特性与开环频域特性的关系。本章依次采用定性分析、典型系统分析和对大量系统的特征参数进行归纳的方法，讨论了谐振峰值与相位裕量、最大超调量与相位裕量、建立时间与增益交越频率及相位裕量、闭环截止频率与开环增益交越频率的关系，通过数据拟合得到了特征参量之间的关系式。

　　第11章，较优的系统模型。讨论了Ⅱ型系统的闭环谐振峰值与稳态加速度偏差系数的相互约束问题，给出了用于参数优化设计的曲线图。

　　第12章，控制器。首先论述各种控制器的适用情况、原理和各种控制量起作用的条件； 再介绍各种控制器的参数设定方法； 最后论述了PID控制器配置闭环极点的能力和一种PID控制器参数的实验调整方案。

　　第13章，根轨迹法。对根轨迹规则作简略介绍，论述了控制器零极点的配置思路，结合多个例子说明了控制器参数的设置方法。

　　第14章，控制系统的其他构型。介绍了二自由度控制、输入前馈控制和干扰前馈补偿控制结构。讨论了强调输入输出响应性能和强调干扰输出响应性能对控制器设计要求的不一致性。

　　第15章，几个控制系统实例。介绍了自动增益控制、运算放大电路、锁相环、自激振荡系统、倒立摆控制和直流电动机伺服系统。

　　第16章，数字控制系统概述。讨论了数字控制系统的时间滞后问题。

　　第17章，z变换。通过z平面与s平面的映射关系讨论z平面极点对应的瞬态响应特性。

　　第18章，数字控制器的连续离散设计方法。讨论了几种常用的连续离散设计方法的映射偏差。

　　本书比较注重用图形和举例辅助对控制理论和方法的阐释。在对系统进行分析和设计方面用了比较多的伯德图和瞬态响应图，也多用曲线表达系统特征参数之间的关系。

　　本书由陈志勇主笔，郭美凤对文字做了修饰。

　　本书的编写得到清华大学本科优秀教材建设项目的支持，在此表示感谢。

　　由于编者的知识和经验有限，书中难免存在缺点和错误，恳请读者批评指正。

编者

2023.8.5