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| 編輯推薦： |
本教材的内容包括：自动控制系统的结构、微分方程与拉普拉斯变换、系统的瞬态响应、闭环系统的稳态误差、闭环系统的稳定性条件、奈奎斯特稳定性判据、系统的频率响应特性、系统时域与频域特性的关系、较优的系统模型、控制器的设计与实验调整方法、根轨迹法、控制系统实例、直流电机的控制、数字控制基础及模拟化设计方法。
本教材具有如下特点：
(1) 参考认识和解决控制问题的过程，思路一贯，逐步深入，让学生随时明白自己正在学习的内容是为了解决什么问题，而非按照理论分块。
(2) 注重结合实际控制系统，对同一个问题从时域、频域等多角度加以分析，以阐述清楚控制原理。
(3) 注重阐释系统开环、闭环、时域、频域特征之间的关系。
读者对象：工科专业本科生、相关专业的技术人员
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| 內容簡介： |
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本教材的内容包括：自动控制系统的结构、微分方程与拉普拉斯变换、系统的瞬态响应、闭环系统的稳态误差、闭环系统的稳定性条件、奈奎斯特稳定性判据、系统的频率响应特性、系统时域与频域特性的关系、较优的系统模型、控制器的设计与实验调整方法、根轨迹法、控制系统实例、直流电机的控制、数字控制基础及模拟化设计方法。 本教材具有如下特点： (1) 参考认识和解决控制问题的过程，思路一贯，逐步深入，让学生随时明白自己正在学习的内容是为了解决什么问题，而非按照理论分块。 (2) 注重结合实际控制系统，对同一个问题从时域、频域等多角度加以分析，以阐述清楚控制原理。 (3) 注重阐释系统开环、闭环、时域、频域特征之间的关系。 读者对象：工科专业本科生、相关专业的技术人员
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| 關於作者： |
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陈志勇，男，1973-，2001年获工学博士学位于清华大学精密仪器系，现为清华大学精密仪器系副研究员。为国家精品课“控制工程基础”课组主讲教师，课组所开设的“控制工程基础”慕课课程于2017年获评首届 “国家精品在线开放课程”。2020年课组开设的“控制工程基础”课程获评首届国家一流本科线下课程。参与教材撰写2部，其中“控制工程基础”第4版于2021年获全国教材建设二等奖。学科方向为仪器科学与技术，发表论文30余篇。
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| 目錄：
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第1章绪论
1.1自动控制系统
1.2开环控制与闭环控制
1.3闭环控制系统的实现形式
1.4系统的干扰和输入
第2章控制环节的数学描述
2.1一些物理环节的数学描述
2.2线性环节的数学模型的一般形式
习题
第3章拉普拉斯变换与传递函数
3.1线性微分方程
3.1.1线性齐次微分方程的一般理论
3.1.2常系数线性齐次微分方程的解
3.1.3高阶线性非齐次微分方程的解
3.2拉普拉斯变换
3.2.1拉普拉斯变换的定义
3.2.2常用函数及其拉普拉斯变换
3.2.3拉普拉斯变换的性质
3.2.4拉普拉斯逆变换
3.2.5用拉普拉斯变换法解微分方程
3.3传递函数
3.3.1传递函数的定义
3.3.2传递函数实例
3.3.3相关名词
习题
第4章系统的瞬态响应特性
4.1一阶系统的瞬态响应
4.2二阶系统的瞬态响应
4.3高阶系统的瞬态响应
4.4瞬态响应的性能指标
习题
第5章控制系统的框图和传递函数
5.1控制系统的框图
5.2框图的简化和等效变换
5.3梅森公式
5.4叠加原理和闭环控制系统的传递函数
习题
第6章反馈控制系统的工作机制和稳态误差
6.1反馈控制系统的工作机制
6.1.1温度控制箱的自动控制框图
6.1.2尝试设计控制器
6.1.3能实现零稳态误差的控制器
6.2反馈控制系统的稳态误差
6.2.1控制系统理想的输入-输出关系
6.2.2稳态偏差和稳态误差
6.2.3相应于输入信号的稳态偏差
6.2.4干扰引起的稳态偏差
6.2.5内模原理
习题
第7章系统的稳定性与劳斯-赫尔维茨判据
7.1闭环系统的稳定性问题
7.2系统稳定性的实质
7.3劳斯赫尔维茨判据
习题
第8章奈奎斯特稳定性判据
8.1映射定理
8.2奈奎斯特判据
8.3奈奎斯特图的作图及判据应用
习题
第9章系统的频率响应特性
9.1频率响应特性
9.2伯德图
9.3最小相位系统
9.4系统开环频率特性的关键参数
9.5开环与闭环频率响应特性的关系
9.6系统闭环频率响应的特征参数
习题
第10章闭环时域特性与开环频域特性的关系
10.1系统时域与频域特性的定性分析
10.2系统时域与频域参数的定量关系
10.2.1一个典型系统
10.2.2谐振峰值与相位裕量的关系
10.2.3最大超调量与相位裕量的关系
10.2.4建立时间与相位裕量及增益交越频率的关系
10.2.5闭环截止角频率与开环增益交越角频率的关系
10.3理想的系统开环频率特性
第11章较优的系统模型
11.1综合误差指标
11.2较优的Ⅰ型系统
11.3较优的Ⅱ型系统
11.4基于期望频率特性的控制器设计方法
习题
第12章控制器
12.1控制器的类型与原理
12.1.1比例控制器
12.1.2积分控制器
12.1.3比例-积分控制器
12.1.4相位滞后校正器
12.1.5比例-微分控制器
12.1.6相位超前校正器
12.1.7比例-积分-微分控制器
12.2控制器参数的设定方法
12.2.1比例控制器
12.2.2PI控制器
12.2.3PD和相位超前校正器
12.2.4PID控制参数的设定
12.2.5PID控制参数的实验调整方法
12.3控制器的实现
习题
第13章根轨迹法
13.1根轨迹
13.2根轨迹规则
13.3控制器零极点的配置方法
13.4参数根轨迹方法
习题
第14章控制系统的其他构型
14.1二自由度控制结构
14.2输入的前馈控制
14.3干扰的前馈补偿
14.3.1干扰-偏差的频率响应
14.3.2干扰-偏差瞬态响应
14.3.3干扰前馈补偿结构
习题
第15章几个控制系统实例
15.1自动增益控制
15.2运算放大电路
15.3锁相环
15.4自激振荡系统
15.5倒立摆
15.6永磁直流电动机伺服系统
15.6.1永磁直流电动机的传递函数
15.6.2电流环
15.6.3速度环
15.6.4位置环
习题
第16章数字控制系统概述
16.1数字控制系统的结构
16.2采样
16.3零阶保持器
16.4数字控制系统中的信号及信号的延迟
第17章z变换
17.1差分方程
17.2z变换
17.2.1定义
17.2.2几种离散时间序列的z变换
17.2.3z变换的性质和定理
17.3离散传递函数
17.4s平面与z平面的映射关系
17.5z平面极点位置与瞬态响应特性的关系
习题
第18章数字控制器的连续-离散设计方法
18.1前向、后向差分法
18.2双线性变换法
18.3零极点匹配法
18.4各方法的映射偏差
18.5双线性变换法的频率特性校正
习题
附录 拉普拉斯变换表和z变换表
参考文献
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| 內容試閱：
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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
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