《全国高等学校自动化专业系列教材》教学服务方案.doc

08 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 全国高等学校自动化专业系列教材 教学服务方案 全国高等学校自动化专业系列教材全国高等学校自动化专业系列教材编审委员会编审委员会 牵头单位牵头单位 教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会 联合单位联合单位 中国自动化学会教育工作委员会 中国电工技术学会高等工业自动化教育专业委员会 中国系统仿真学会教育工作委员会 中国机械工业教育协会电气工程及其自动化学科委员会 合作出版社合作出版社 清华大学出版社 08 出版说明出版说明 为适应我国对高等学校自动化专业人才培养的需要，配合各高校教学改革的进程，创建一套符合自动化 专业培养目标和教学改革要求的新型自动化专业系列教材， “教育部高等学校自动化专业教学指导委员会” （简称“教指委” ）联合了“中国自动化学会教育工作委员会” 、 “中国电工技术学会高校工业自动化教育专业 委员会” 、 “中国系统仿真学会教育工作委员会”和“中国机械工业教育协会电气工程及其自动化学科委员会” 四个委员会，以教学创新为指导思想，以教材建设带动教学改革为方针，设立专项资助资金，采用全国公开 招标方式，组织编写出版一套自动化专业系列教材全国高等学校自动化专业系列教材 。 本系列教材主要面向本科生，同时兼顾研究生；覆盖面包括专业基础课、专业核心课、专业选修课、实 践环节课和专业综合训练课；重点突出自动化专业基础理论和前沿技术；以文字教材为主，适当包括多媒体 教材；以主教材为主，适当包括习题集、实验指导书、教师参考书、多媒体课件、网络课程脚本等辅助教材； 力求做到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；努力创造使 之成为具有先进性、创新性、适用性和系统性的特色品牌教材。 本系列教材在“教指委”的领导下，从 2004 年起，通过招标机制，计划用 34 年时间出版 50 本左右 教材，2006 年开始陆续出版问世。为满足多层面、多类型的教学需求，同类教材可能出版多种版本。 本系列教材的主要读者群是自动化专业及相关专业的大学生和研究生，以及相关领域和部门的科学工作 者和工程技术人员。我们希望本系列教材既能为在校大学生和研究生的学习提供内容先进、论述系统和适于 教学的教材或参考书，也能为广大科学工作者和工程技术人员的知识更新与继续学习提供适合的参考资料。 为了更好地服务教学，我们组织编写了本教学服务手册，分别介绍了每本教材的作者情况、教材特点、 配套资源、适用专业以及获奖情况等。感谢使用系列教材的广大教师、学生和科技工作者的热情支持，并欢 迎提出建议和意见。教学一线的老师可以免费获得清华大学出版社出版的相关教学样书和配套教学资源。 联系方式： 电 话4009 E-mail： 网 站： 联系人：彭远同 08 序序 自动化学科有着光荣的历史和重要的地位，20 世纪 50 年代我国政府就十分重视自动化学科的发展和自 动化专业人才的培养。五十多年来，自动化科学技术在众多领域发挥了重大作用，如航空、航天等，两弹一 星的伟大工程就包含了许多自动化科学技术的成果。自动化科学技术也改变了我国工业整体的面貌，不论是 石油化工、电力、钢铁，还是轻工、建材、医药等领域都要用到自动化手段，在国防工业中自动化的作用更 是巨大的。现在，世界上有很多非常活跃的领域都离不开自动化技术，比如机器人、月球车等。另外，自动 化学科对一些交叉学科的发展同样起到了积极的促进作用，例如网络控制、量子控制、流媒体控制、生物信 息学、系统生物学等学科就是在系统论、控制论、信息论的影响下得到不断的发展。在整个世界已经进入信 息时代的背景下，中国要完成工业化的任务还很重，或者说我们正处在后工业化的阶段。因此，国家提出走 新型工业化的道路和“信息化带动工业化，工业化促进信息化”的科学发展观，这对自动化科学技术的发展 是一个前所未有的战略机遇。 机遇难得，人才更难得。要发展自动化学科，人才是基础、是关键。高等学校是人才培养的基地，或者 说人才培养是高等学校的根本。作为高等学校的领导和教师始终要把人才培养放在第一位，具体对自动化系 或自动化学院的领导和教师来说，要时刻想着为国家关键行业和战线培养和输送优秀的自动化技术人才。 影响人才培养的因素很多，涉及教学改革的方方面面，包括如何拓宽专业口径、优化教学计划、增强教 学柔性、强化通识教育、提高知识起点、降低专业重心、加强基础知识、强调专业实践等，其中构建融会贯 通、紧密配合、有机联系的课程体系，编写有利于促进学生个性发展、培养学生创新能力的教材尤为重要。 清华大学吴澄院士领导的全国高等学校自动化专业系列教材编审委员会，根据自动化学科对自动化技术 人才素质与能力的需求，充分吸取国外自动化教材的优势与特点，在全国范围内，以招标方式，组织编写了 这套自动化专业系列教材，这对推动高等学校自动化专业发展与人才培养具有重要的意义。这套系列教材的 建设有新思路、新机制，适应了高等学校教学改革与发展的新形势，立足创建精品教材，重视实践性环节在 人才培养中的作用，采用了竞争机制，以激励和推动教材建设。在此，我谨向参与本系列教材规划、组织、 编写的老师，致以诚挚的感谢，并希望该系列教材在全国高等学校自动化专业人才培养中发挥应有的作用。 吴启迪教授 2005 年 10 月于教育部 08 总目录 一、控制理论与工程一、控制理论与工程.6 1 【自动控制原理】 （面向研究型） 6 1.1 自动控制原理 （第二版） 难易度：较深 适用层次：重点院校 6 1.2 自动控制原理 难易度：适中 适用层次：重点院校 8 2 【自动控制原理】 （面向应用型） 5 2.1 自动控制原理 难易度：适中 适用层次：通用 5 2.2 自动控制原理实验教程 难易度：适中 适用层次：通用 6 3 【现代控制理论】 （面向研究型） 7 3.1现代控制理论 难易度：适中 适用层次：重点院校 7 4 【现代控制理论】 （面向应用型） 8 4.1现代控制理论 难易度：适中 适用层次：应用型本科 9 5 【控制系统计算机辅助设计MATLAB 语言与应用】.10 5.1控制系统计算机辅助设计 M MA AT TL LA AB B 语言与应用 （第2 2 版） 难易度：适中 适用层次：通用.11 6 【工程控制基础】 12 6.1工程控制基础 难易度：适中 适用层次：通用 12 7 【控制系统设计】 14 7.1控制系统设计 难易度：适中 适用层次：通用 14 8.【控制系统分析与设计】 .15 8.1控制系统分析与设计 难易度：适中 适用层次：通用 16 9 【自动化概论】/【控制论导引】 .16 9.1控制论导引 难易度：适中 适用层次：通用 17 10 【控制数学问题的 MATLAB 求解】18 10.1控制数学问题的 MATLAB 求解 难易度：较难 适用层次：通用 18 二、控制系统与技术二、控制系统与技术.20 1 【计算机控制系统】 （面向“自动控制” ） 20 1.1计算机控制系统 难易度：适中 适用层次：通用 20 2 【计算机控制系统】 （面向“过程控制” ） 21 2.1计算机控制系统 （第二版） 难易度：适中 适用层次：通用 22 3 【电力电子技术】 （面向应用型） 23 3.1电力电子技术基础 难易度：通俗易懂 适用层次：通用 23 4 【电机与运动控制系统】 （面向“自动控制” ） 25 4.1电机与运动控制系统 难易度：较难 适用层次：重点院校 25 5 【电机与拖动】 （面向“工业自动化” ） 26 5.1电机与拖动 难易度：适中 适用层次：通用 27 6 【运动控制系统】 （面向“工业自动化” ） 28 6.1运动控制系统 难易度：适中 适用层次：通用 29 7 【运动体控制系统】 30 7.1运动体控制系统 难易度：适中 适用层次：通用 31 8.过程控制系统 .31 8.1 过程控制系统 （第 2 版） （研究型） 金以慧 等 2010 年 9 月出版 .32 8.2 过程控制系统 （应用型） 郑辑光 韩九强 2010-9 出版 .32 9 【系统建模与仿真】 32 08 9.1系统建模与仿真 难易度：适中 适用层次：通用 32 9.2 系统建与仿真吴重光 33 10 【传感器与检测技术】 34 10.1传感器与检测技术 周杏鹏 34 11 【嵌入式控制系统】 34 11.1嵌入式控制系统 难易度：通俗易懂 适用层次：通用 34 12 【现代测控技术与系统】 34 12.1现代测控技术与系统 难易度：适中 适用层次：通用 35 13 【建筑智能化系统】 2 13.1建筑智能化系统 难易度：适中 适用层次：通用 2 三、信号处理与分析三、信号处理与分析.39 1 【信号与系统】 39 1.11.1信号与系统 难易度：适中 适用层次：通用 39 2 【信号分析与处理】 41 2.12.1信号分析与处理 难易度：通俗易懂 适用层次：应用型本科 41 3 【数字信号处理】 42 3.13.1数字信号处理 难易度：适中 适用层次：通用 42 四、计算机与网络四、计算机与网络.43 1 【计算机网络】 43 1.11.1计算机网络 难易度：适中 适用层次：通用 43 五、研究生教材五、研究生教材.47 1 【系统与控制中的几何与代数基础】 47 1.11.1系统与控制中的几何与代数基础 难易度：较难 适用层次：重点院校 47 2 【线性系统理论】 48 2.12.1线性系统理论 难易度：较难 适用层次：重点院校 48 3 【智能控制基础】 49 3.13.1智能控制基础 难易度：适中 适用层次：通用 49 4 【非线性系统理论】 50 4.14.1非线性系统理论 方勇纯 50 08 一、控制理论与工程一、控制理论与工程 1 【自动控制原理】 （面向研究型） 基本情况： 学时：64 学时 学分：4 学分 适用范围：研究型大学自动化专业本科生、非自动化专业研究生。 课程描述： 本课程覆盖经典自动控制原理的内容，系统深入地讲解理论与方法，其体系构建给学生留有适当的自学 与思考空间，同时有利于启发学生理解和运用所学的知识。理论联系实际，既使学生养成积极思考、长于分 析、善于推导的本领及良好习惯，又使学生尽量理解必要的物理概念，掌握基础理论知识，并了解它们对实 际问题的指导作用。 覆盖基本概念： 系统、反馈、方块图、信号流图、传递函数；稳定性、稳定裕度，基本环节、时间常数、阻尼系数，冲 激响应、阶跃响应、动态性能指标、稳态误差，频率特性，根轨迹、主导极点，校正和综合、串联校正，典 型非线性特性、描述函数、相平面、自持振荡，采样控制、z 变换、脉冲传递函数。 涵盖基本知识： （1）简单物理系统的微分方程和传递函数的列写及计算， （2）代数稳定判据在线性系统中的应用， （3）方块图和信号流图的变换与化简， （4）开环传递函数与闭环传递函数的推导和计算， （5）二阶系统的运 动特征和分析， （6）静态误差的分析和计算， （7）伯德图和奈奎斯特图的绘制（侧重应用运用 MATLAB 仿 真方法绘制） ， （8）奈奎斯特稳定判据及应用， （9）由开环频率特性分析系统的主要动态和静态特性， （10） 根轨迹的基本特性及典型系统根轨迹的绘制， （11）典型串联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）采样系统的稳定性分析及校正的基本方法。 对应教材： 1.1 自动控制原理 （第二版） 难易度：较深 适用层次：重点院校 上册 ISBN：9787302129691 定价：45 元 出版日期：2006 年 7 月 下册 ISBN：9787302132271 定价：43 元 出版日期：2006 年 9 月 获奖情况：教育部 2008 年度普通高等教育精品教材 说明：本教材覆盖高等学校自动化专业“自动控制原理”课程的主要内容，包括建 模、分析、设计的基本概念及方法。全书分上、下册出版上册主要涉及经典控制理论，包括单输入单输出 动态系统的数学描述、时间响应、频率响应方法、根轨迹方法、串联校正、非线性系统、采样系统等，但数 学模型部分包括状态空间模型及多输入多输出系统下册主要涉及状态空间方法，包括系统的状态空间结构 08 分析、线性定常系统的综合、李雅普诺夫稳定性分析、最优控制等。 作者： 吴麒 清华大学自动化系教授，博士研究生导师，中国自动化学会荣誉理事，1952 年毕业于清华大学电 机工程系，1959 年获苏联技术科学副博士学位。长期从事控制理论和控制工程的教学科研工作。与同事合作 编著有自动控制原理 、 多变量频率域控制理论和控制系统的智能设计等书。在国内外发表学术沦 为 40 余篇。 王诗宓 清华大学自动化系教授，1967 年毕业于清华大学动力机械系，1983 年获英国曼彻斯特大学理 工学院哲学博士学位。长期从事控制理论与应用的教学和研究，主要研究方向为预测控制、容错控制。独立 或合作编著有多变量控制系统的分析和设计 、 过程控制 、 先进过程控制和自动控制理论例题习题 集 。在国内外发表学术论文 40 余篇。 杜继宏 清华大学自动化系教授，中国自动化学会智能自动化专业委员会副主任委员。1966 年毕业于清 华大学自动控制系，长期从事控制理论与应用的教学和研究。主要研究方向为机器人控制、计算机网络控制、 智能控制等。与同时合作编著的有自动控制原理 、 现代控制理论基础例题 、 机器人 、 计算机控制系 统及应用和自动控制理论例题习题集 。合作翻译机器人学：控制、传感器、视觉和智能 。在国内外 发表学术论文近 40 篇。 高黛陵 清华大学自动化系教授。1960 年毕业于清华大学自动控制系长期从事控制理论和控制工程的 教学科研工作，并曾从事核反应堆控制及计算机科学的研究。与同事合作编著有多变量频率域控制理论 和控制系统的智能设计等书。在国内外发表学术论文近 40 篇。 本书特色： 1重视基础知识的讲解，叙述严密，例题、习题丰富（近 600 题） 2采用“数学描述统一，工程研究分开”的讲法，效果较好；突出自动控制理论的工程背景，强调理 论联系实际，尽量从工程实例出发引入重要的概念和方法必要的定理证明也力避繁冗枯燥 3适当引入控制理论研究中有价值的新知识：有选择地收入多变量频率域控制理论中一些较基础的内 容；在论述李雅普诺夫定理时收入了吸引范围的概念及其估计方法；对于多变量系统的综合问题作了全面论 述；以逆系统方法切入解耦控制的论述，并引入本书编著者的科研成果；引入了循环矩阵的概念并展开讨论， 又利用循环矩阵简化了特征值规范形的论述 4引入利用软件 MATLAB 研究控制系统的方法；随书免费赠送本书编著者独立开发的分析和设计多 变量控制系统的软件光盘 IntelDes 3.0；精简了一批过时的手工作图方法的叙述，但保留了绘制某些有价值的 草图以及分析概念性问题的方法 5叙述控制科学在世界和中国的发展简史，并列述部分中国科学家对控制理论的贡献 配套资源： 电子课件、习题答案 上册目录： 第 1 章 绪论 1.1 自动控制 1.2 反馈控制 1.3 按扰动控制 1.4 控制器的构成 1.5 随动系统与恒值调节系统 1.6 自动控制理论的发展简史 1.7 自动控制学科在中国的发展历程 附录 1 中国学者在自动控制理论方面 的研究成果 第 2 章 控制系统的数学描述 2.1 引言 2.2 运动对象的微分方程描述 2.3 微分方程的解的结构与运动的模态 2.4 微分方程的解在初始时刻的跳变 2.5 拉普拉斯变换 2.6 运动对象的状态空间描述 2.7 矩阵指数函数 2.8 状态转移矩阵 2.9 运动对象的传递函数描述 2.10 闭环系统的传递函数 2.11 控制系统的基本单元 2.12 信号流图 2.13 控制系统的系统矩阵描述 2.14 系统矩阵的严格系统等价变换 2.15 闭环系统的特征多项式 2.16 小结 附录 2.1 从框图求传递函数的流程 附录 2.2 求多项式矩阵的史密斯标准 形的例题 习题 第 3 章 线性控制系统的运动 3.1 引言 3.2 稳定性问题 3.3 稳定性的代数判据 3.4 参数对稳定性的影响 3.5 参数的稳定区域 3.6 静态误差 3.7 控制系统的动态性能 3.8 阶单输出系统的运动 3.9 简单 2 阶单输出系统的运动 3.10 高阶单输出系统的运动 3.11 误差积分指标 08 3.12 交连 3.13 控制系统的校正 3.14 小结 习题 第4 章 线性控制系统的频率响应分析 4.1 引言 4.2 傅里叶变换与非周期函数的频谱 4.3 频率特性函数 4.4 频率特性图像 4.5 基本单元的频率特性函数 4.6 复杂频率特性图的绘制 4.7 频率特性函数的几项重要性质 4.8 奈奎斯特稳定判据 4.9 控制系统的稳定裕度 4.10 多输入多输出控制系统的特征多 项式稳定判据 4.11 多输入多输出控制系统的特征轨 迹稳定判据 4.12 对角优势多变量控制系统的稳定 条件 4.13 从开环频率特性直接研究闭环系 统 4.14 闭环系统的频率特性图 4.15 小结 附录 4.11 次和 2 次多项式因子折线 对数幅频特性的修正曲线画法 附录 4.2 惰性单元折线对数幅频特性 的修正量L() 附录 4.3 振荡单元谐振点的对数角频 率偏移量r 与谐振峰值Lr(=20lgMr) 附录 4.41 次和 2 次多项式因子的对 数相频特性曲线画法 附录 4.5 惰性单元对数相频特性曲线 的数据 附录 4.6 振荡单元对数相频特性曲线 的数据 附录 4.7 幅角原理的证明 习题 第 5 章 线性控制系统频率特性的校 正与综合 5.1 引言 5.2 串联校正的试探综合法 5.3 串联校正的预期频率特性综合法 5.4 典型 4 阶开环传递函数的分频段 综合 5.5 恒值调节系统的综合 5.6 局部反馈校正 5.7 顺馈控制 5.8 多变量控制系统的正规矩阵设计 方法 5.9 正规矩阵参数优化设计方法的专 家知识库和设计流程 5.10 正规矩阵参数优化方法设计实例 5.11 控制系统的智能设计 5.12 小结 附录 5.1 关于复数矩阵的奇异值分解 的若干补充知识 附录 5.2 控制系统智能设计软件 IntelDes 3.0 习题 下册目录 第 7 章 描述函数方法与相平面方法 7.1 引言 7.2 非线性特性的描述函数 7.3 非线性系统的描述函数分析方法 7.4 相平面 7.5 非线性系统的相平面分析方法 7.6 小结 习题 第 8 章 采样控制系统 8.1 引言 8.2 采样与保持 8.3 z 变换 8.4 脉冲传递函数 8.5 采样系统的稳定性分析 8.6 采样控制系统的时间响应 8.7 采样控制系统的校正 8.8 小结 习题 第 9 章 线性系统的结构分析 9.1 引言 9.2 特征值规范型 9.3 状态可控性 9.4 状态可观性 9.5 对偶原理 9.6 线性定常离散时间系统的结构分析 9.7 系统的结构分解 9.8 可控规范型和可观规范型 9.9 传递函数矩阵中的零极点对消 9.10 传递函数矩阵的状态空间实现 9.11 反馈控制系统的可控性和可观性 9.12 小结、习题 第 10 章 线性定常系统的综合 10.1 闭环系统的极点配置 10.2 多输入系统极点配置方法与特征 结构配置 10.3 闭环系统的解耦 10.4 状态观测器 10.5 带有观测器的反馈控制系统 10.6 有外扰时控制系统的综合 10.7 鲁棒调节器 10.8 小结、习题 第 11 章 李雅普诺夫稳定性分析 11.1 引言 11.2 李雅普诺夫第二方法 11.3 吸引域 11.5 李雅普诺夫方法在非线性系统中 的应用 11.6 小结、习题 第 12 章 最优控制 12.1 引言 12.2 最优控制问题 12.3 泛函和变分法 12.4 变分法在最优控制中的应用 12.5 极小值原理及其应用 12.6 极小值原理的证明 12.7 线性二次型调节器 12.8 小结、习题 下册部分习题参考答案 下册名词索引 对应教材： 1.2 自动控制原理 难易度：适中 适用层次：重点院校 ISBN：9787302140078 定价：39.8 元 出版日期：2007 年 4 月 获奖情况：国家级精品课程教材 作者： 王建辉，女，工学博士，东北大学教授、博士生导师，1957 年生于辽宁。宝钢教育奖获得者，沈阳市优 秀教师。国家级精品课“自动控制原理”课程负责人之一。1982 年东北工学院（今东北大学）自动控制系自 08 动化专业毕业后留校任教，先后任自动控制教研室副主任、自动控制系副主任、自动化研究所副所长。主要 研究方向为复杂控制系统的建模与控制、网络环境下先进控制技术及其在工业中的应用、智能控制理论及其 应用等。获省部级科技进步奖 4 项、教育教学成果奖 10 余项，主持和参加国家及省部级自然科学基金等纵向 科研课题 10 余项、各类教改课题项目近 10 项。发表有关论文 100 余篇。编著自动控制原理 、 自动控制 原理习题详解 、 控制系统计算机仿真与辅助设计 。 顾树生 男，东北大学教授、博士生导师，1939 年出生于黑龙江。国家级精品课“自动控制原理”课程 负责人。全国电气节能学会主任、大连理工大学等多所高校的兼职教授。曾任中国自动化学会全国高校教学 指导委员会副主任，中国自动化学会辽宁省分会副理事长。1963 年东北工学院（今东北大学）自动控制系毕 业后留校任教，先后任教研室主任、系主任和信息科学与工程学院院长。主要研究方向为现代集成控制系统、 实时智能控制系统。先后获得国家科技进步奖 2 项，省部级奖 4 项，承担国家及省级自然科学基金项目 4 项， 发表论文 100 余篇，其中 SCI 检索 3 篇，EI 检索 35 篇。编著自动控制原理 、 计算机控制系统 、 微型 机过程控制系统 、 近代交流调速 ，译著线性离散时间系统及其应用 。 本书特色: 1本教材从基本概念、基本分析方法入手，结合生产和生活中的实例，以时域分析方法为主线，时域 分析和频域分析并进，利用直观的物理概念，使学生充分理解系统参数与系统指标之间的内在联系，由浅入 深地引导学生理解和掌握古典控制理论的精髓。 2本教材保留了前四版的数学推导严谨、物理概念清楚等主要特色，加强了基本理论和基本概念的阐 述，增加了通用性的内容描述，除用数学工具分析工程中的实际系统之外，还力求由浅入深、循序渐进和突 出重点，同时给学生自学留有充分的空间。这既给分析、设计和调试目前工业中广泛应用的各种控制系统提 供了清楚的理论依据，又为学习有关专门文献和后续课程打下了良好的基础，也为进一步激发和调动学生的 潜能和积极性创造了条件。 3本书增加的内容有：中国学者提出的代数稳定判据谢氏判据；非电类系统的数学模型； MATLAB 在系统分析中的应用实例及非周期函数的频谱分析等。 配套资源： 习题集、实验教程、电子教案，网上答疑、实验、试题。 目录： 第 1 章 自动控制系统的基本概念 1.1 开环控制系统与闭环控制系统 1.2 闭环控制系统的组成和基本环节 1.3 自动控制系统的类型 1.4 自动控制系统的性能指标 小结/思考题与习题 第2 章 自动控制系统的数学模型 2.1 微分方程式的编写 2.2 非线性数学模型的线性化 2.3 传递函数 2.4 系统动态结构图 2.5 系统传递函数和结构图的等效 变 换 2.6 信号流图 2.7 用 MATLAB 求解线性微分方程 和化简系统方框图 小结/思考题与习题 第3 章 自动控制系统的时域分析 3.1 自动控制系统的时域指标 3.2 一阶系统的阶跃响应 3.3 二阶系统的阶跃响应 3.4 高阶系统的动态响应 3.5 自动控制系统的代数稳定判据 3.6 稳态误差 3.7 用 MATLAB 进行系统时域分析 小结/思考题与习题 第 4 章 根轨迹法 4.1 根轨迹法的基本概念 4.2 根轨迹的绘制法则 4.3 用根轨迹法分析系统的动态特性 4.4 用 MATLAB 绘制根轨迹 小结/思考题与习题 第 5 章 频率法 5.1 频率特性的基本概念 5.2 非周期函数的频谱分析 5.3 频率特性的表示方法 5.4 典型环节的频率特性 5.5 系统开环频率特性的绘制 5.6 奈奎斯特稳定判据及其应用 5.7 系统动态特性和开环频率特性的 关系 5.8 闭环系统频率特性 5.9 系统动态特性和闭环频率特性的 关系 5.10 用 MATLAB 绘制系统开环频率 特性 小结/思考题与习题 第 6 章 控制系统的校正及综合 6.1 控制系统校正的一般概念 6.2 串联校正 6.3 反馈校正 6.4 复合校正 6.5 应用MATLAB 进行系统校正 小结/思考题与习题 第 7 章 非线性系统分析 7.1 非线性系统动态过程的特点 7.2 非线性特性及其对系统性能的 影 响 7.3 非线性特性的描述函数 7.4 非线性系统的描述函数法 7.5 改善非线性系统性能的措施及非 线性特性的利用 7.6 相平面法 小结/思考题与习题 第8 章 线性离散系统的理论基础 8.1 线性离散系统的基本概念 08 8.2 离散时间函数的数学表达式及采 样定理 8.3 z 变换 8.4 线性常系数差分方程 8.5 脉冲传递函数 8.6 采样控制系统的时域分析 8.7 采样控制系统的频域分析 8.8 线性离散系统的数字校正 8.9 最少拍离散控制系统的分析与 设 计 8.10 用 MATLAB 进行采样系统分析 小结/思考题与习题 名词术语索引 附录本书使用的部分 MATLAB 指令 参考文献 2 【自动控制原理】 （面向应用型） 基本情况： 学时：64 学时 学分：4 学分 适用范围：应用型大学自动化专业本科生。 课程描述： 本课程覆盖应有的经典自动控制原理的内容，例题与练习题简单，偏向于方法的应用。考虑到广泛的使 用面，故不宜针对具体行业。 覆盖基本概念： 自动控制的一般概念，基本控制方式，反馈系统的组成；动态过程分析，单变量系统输入输出模型，包 括微分方程、传递函数和脉冲响应函数，强调建立这几种模型的过程与方法，梅逊公式和动态结构图等效变 换，基本动力学环节；时域分析法，包括典型输入信号、系统的品质指标、一阶和二阶系统分析与计算、系 统稳定性分析（代数稳定判据） 、稳态误差分析、计算和一般规律；根轨迹法，包括基本的根轨迹方程与根轨 迹的绘制法则、应用主导极点、偶极子等概念近似分析系统的性能、广义根轨迹；频率域方法，包括频率特 性、乃奎斯特判据和对数判据（样稿指定节） 、带宽、稳定裕量等；控制系统的校正设计，包括串联校正（超 前校正、滞后校正、滞后/超前校正、PID 调节器） 、反馈校正、复合控制等；采样系统理论，包括 Z 变换及 反变换、脉冲传递函数、系统稳定性分析、最小拍控制；非线性系统理论，包括相平面法、描述函数法。 涵盖基本知识：（1）本课程研究的主要问题：稳定性和动态（包括过渡过程与稳态）品质；（2）建模 过程中要突出单变量、线性、时不变、连续时间等概念和模型的局限性；（3）稳态误差分析时要指出内模的 作用和系统稳定性要求；（4）频率特性的物理意义和频率域方法实验研究方法，系统的带宽与稳定裕量； （5）系统的带宽与稳定裕量；（6）注意时域分析法、根轨迹法、频率域方法三者之间的联系；（7）系统的 校正，着重于设计思想、原则和强调与仿真研究相结合；（8）采样系统，包括 Z 变换及反变换、脉冲传递 函数、s 平面到 z 平面的映射、系统稳定性分析，着眼点是为后续课程打好理论基础，不宜过多地涉及数字 控制系统的实际问题；（9）非线性系统，包括非线性系统与线性系统不同之处，描述函数的物理概念，有关 相平面方法的基本概念（奇点、极限环等） ，分段线性的非线性系统的相平面分析。 对应教材： 2.1 自动控制原理 难易度：适中 适用层次：通用 ISBN：9787302116585 定价：45 元 出版日期：2006 年 2 月 作者：张爱民 本书特色： 1在加强基本概念、基础理论和基本方法的基础上，特别注重控制理论的物理背景的讲述及物理概念 的建立。 2内容编排精心独到，各章节既独立又有概念上的密切联系。通过导弹航向控制系统和倒立摆控制系 统的分析和设计举例在相关章节的多次引入，使各章节内容融会贯通，从而使学生思考问题和解决问题的能 08 力得到系统培养。 3例题选取有代表性，分析详尽，可起到举一反三的作用；习题丰富多样，可巩固与提高学生的学习 效果。 4结合控制系统的分析与设计，在相关章节引入 MATLAB 仿真方法，并给出大量 MATLAB 仿真例题， 以帮助学生加深对基本概念的理解。 配套资源： 电子课件、习题答案、实验指导 目录： 第 1 章 绪论 1.1 引言 1.2 自动控制的基本概念 1.3 自动控制系统的基本形式 1.4 自动控制系统分类 1.5 对自动控制系统的基本要求 1.6 自动控制原理的研究内容及本书 的结构体系 习题 第 2 章 控制系统的数学模型 2.1 引言 2.2 微分方程 2.3 传递函数 2.4 方块图 2.5 信号流图 2.6 状态空间模型 习题 第 3 章 线性系统的时域分析法 3.1 引言 3.2 典型一阶系统的瞬态性能 3.3 典型二阶系统的瞬态性能 3.4 高阶系统的时域分析 3.5 线性控制系统的稳定性分析 3.6 线性控制系统的稳态性能分析 3.7 利用 MATLAB 对控制系统进行 时域分析 习题 第4 章 线性系统的根轨迹分析法 4.1 引言 4.2 绘制根轨迹的基本规则 4.3 控制系统根轨迹绘制示例 4.4 基于根轨迹法的系统性能分析 4.5 利用 MATLAB 分析根轨迹 习题 第 5 章 线性系统的频域分析法 5.1 引言 5.2 频率特性的基本概念 5.3 对数坐标图 5.4 极坐标图 5.5 奈奎斯特稳定判据 5.6 稳定裕度 5.7 闭环系统的频率特性 5.8 闭环系统性能分析 5.9 利用MATLAB进行系统的频域分析 习题 第6 章 线性控制系统的状态空间分析 6.1 引言 6.2 线性定常系统的线性变换 6.3 线性定常系统的时间响应和状态 转移矩阵 6.4 系统的能控性和能观测性 6.5 状态反馈与极点配置 6.6 状态估计与状态观测器 6.7 利用 MATLAB 进行状态空间分 析 习题 第 7 章 线性系统的设计方法 7.1 引言 7.2 校正装置及其特性 7.3 基于伯德图的系统校正 7.4 基于根轨迹的系统校正 7.5 PID 控制器 习题 第 8 章 线性离散控制系统分析 8.1 引言 8.2 信号的采样 8.3 信号的保持 8.4 z 变换 8.5 脉冲传递函数 8.6 离散控制系统的稳定性分析 8.7 采样控制系统的稳态误差 8.8 采样系统的动态性能分析 8.9 采样控制系统的校正 习题 第 9 章 非线性控制系统分析 9.1 引言 9.2 常见的典型非线性特性 9.3 相平面法基础 9.4 非线性控制系统的相平面法分析 9.5 描述函数 9.6 用描述函数分析非线性系统 习题 附录 拉普拉斯变换 参考文献 对应教材： 2.2 自动控制原理实验教程 难易度：适中 适用层次：通用 ISBN：9787302158585 定价：26 元 出版日期：2007 年 11 月 作者： 程鹏 男 1938.9 出生，1962 年毕业于北京大学数学力学系（六年制本科） 。北京航空航天大学自动化 科学与电气工程学院教授，控制理论与控制工程学科博士生导师。北京市优秀教师，享受政府特殊津贴。 长期主讲 “自动控制原理” 、 “线性系统理论” 、 “最优控制理论”等课程。主持北航“自动控制原理” 国家精品课程建设工作。曾获北京市高等教育教学成果一等奖。 08 出版有自动控制原理 ， 线性系统理论等十余本书籍。曾获航空工业部优秀教材二等奖、国家教委全 国 高等学校优秀教材奖。主编的教材 自动控制原理 ， 现代控制理论基础被评为北京市高等教育精品教材。 主要研究领域为线性系统理论、多变量系统理论、鲁棒控制和飞行器控制，以国家自然科学基金，航空 科学基金等应用基础类型的研究为主。在学术会议和核心刊物上发表论文 70 余篇。 本书特色 1本教程是学生学习自动控制原理课程的一本配套教材，紧密结合自动控制原理课程的基本内容，设 计出多样的实验单元，同时也兼顾“自动控制原理实验”作为一门独立实验课程在知识上的独立性和完整性。 以提高学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力为目的。 2本教程教学实验基本涵盖自动控制原理的所有主要知识单元。实验内容安排上遵循由简到难、循序 渐进原则；实验环节设计上分为验证性、设计性和综合性三种类型；实验单元设计成多种类、多类型，可供 不同学校根据条件进行选择。对目前控制实验中最常用的技术手段和方法进行了集中介绍。 配套资源： 电子课件、习题与解答、多媒体课件 3 【现代控制理论】 （面向研究型） 基本情况： 学时：48 学时 学分：3 学分 适用范围：研究型大学自动化专业本科生、非自动化专业研究生。 课程描述： 本课程从线性空间理论出发，建立现代控制理论基础的基本概念，阐述基本原理和推导算法；适当引入 控制理论发展中的新概念，引入本科学生能够理解的新方法；要精选内容，系统地、深入浅出地介绍现代控 制理论基础的基本理论与计算方法；理论联系实际，注重应用，介绍一些实用算法，通过实例，尤其是实际 系统例子来说明其应用，使理论与方法易于为学生理解与掌握。使学生学后能灵活运用所学的知识，敢用和 会用所学理论解决实际问题。 覆盖基本概念： 状态、状态空间、系统的状态空间描述，状态转移矩阵，连续系统的离散化，系统的稳定性、可控性、 可观性，系统的等价变换和单变量系统的可控标准型、可观标准型及特征值标准型，系统的结构分解，对偶 原理，最小实现，状态反馈和输出反馈、反馈对可控性和可观性的影响、极点配置，闭环可镇定性、解耦， 状态重构、状态观测器，系统的 BIBO 稳定、渐近稳定和李亚普诺夫稳定；最小实现；状态反馈和输出反馈、 极点配置，渐近状态观测器；极大值原理、线性二次型指标最优控制；最小二乘估计、线性最小方差估计、 卡尔曼滤波。 涵盖基本知识： （1）物理系统的状态方程和输出方程的列写；（2）传递函数矩阵、高阶微分方程与状态空间描述的互 相转换；（3）状态方程的求解；（4）系统的等价变换；（5）李亚普诺夫稳定性分析方法。 （6）线性定常系 统的可控性和可观性的判据；（7）求取单变量系统特征值标准型、可控标准型和可观标准型的方法；（8） 状态反馈极点配置方法（样稿指定节） ；（9）渐近状态观测器和降维观测器的设计方法；（10）李亚普诺夫 方法在非线性系统与线性系统中的应用，非线性系统的稳定性分析、克拉索夫斯基方法、变量梯度法； （11）最优控制的必要条件计算、极大值原理的应用、线性二次型指标最优控制问题的求解；（12）最小二 乘估计与线性最小方差估计的原理、基本卡尔曼滤波与扩展卡尔曼滤波的原理及计算方法。 对应教材： 3.1现代控制理论 难易度：适中 适用层次：重点院校 08 ISBN：9787302128038 定价：33 元 出版日期：2006 年 9 月 作者： 张嗣瀛 男，1925 年 4 月出生于山东省章丘县，汉族。1948 年毕业于武汉大学机械系，19571959 年 在原苏联莫斯科大学数学力学系进修自动控制理论。现为东北大学信息科学与工 程学院教授、博士生导师，中 国科学院院士，辽宁省劳动模范。曾获全国五一劳动奖章。主要研究方向为微分对策和复杂系统结构与控制。 高立群 男，1949 年 5 月生于辽宁省沈阳市，汉族。1982 年毕业于大连海事大学师资班，19871989 年在荷兰代尔夫特工业大学数学信息系学习，1990 年获博士学位。现为东北大学信息科学与工程学院教授、 博士生导师。主要研究方向为复杂系统建模与控制。 本书特色： 1从实际问题出发，强调思想方法的介绍，以培养学生的研究能力和解决实际问题的能力。 2注重理论联系实际，介绍使用算法，通过工程实例加深学生对理论和方法的理解和掌握。 3适当地介绍现代控制理论中某些重要成果以及 MATLAB 实用软件包，以满足自学、研究型学习及培 养优秀学生的需要。 4每章后配有大量不同难度的习题以供教师组织教学和学生课后习题时选用。 配套资源： 电子课件、 现代控制理论习题集 （ISBN：9787302156789 定价：29 元 出版日期：2007 年 10 月） 目录： 第 1 章 绪论 1.1 控制理论的发展历程简介 1.2 现代控制理论的主要内容 1.3 本书的内容和特点 第 2 章 控制系统的状态空间描述 2.1 基本概念 2.2 传递函数与传递函数矩阵 2.3 状态空间表达式的建立 2.4 组合系统的状态空间表达式 2.5 线性变换 2.6 离散时间系统的状态空间表达式 2.7 用 MATLAB 分析状态空间模型 小结/习题 第 3 章 状态方程的解 3.1 线性定常系统齐次状态方程的解 3.2 矩阵指数 3.3 线性定常连续系统非齐次状态方 程的解 3.4 线性定常系统的状态转移矩阵 3.5 线性时变系统状态方程的解 3.6 线性连续系统的时间离散化 3.7 离散时间系统状态方程的解 3.8 利用 MATLAB 求解系统的状态 方程 小结/习题 第4 章 线性系统的能控性与能观测性 4.1 定常离散系统的能控性 4.2 定常连续系统的能控性 4.3 定常系统的能观测性 4.4 线性时变系统的能控性及能观测性 4.5 能控性与能观测性的对偶关系 4.6 线性定常系统的结构分解 4.7 能控性、能观测性与传递函数矩 阵的关系 4.8 能控标准形和能观测标准形 4.9 系统的实现 小结/习题 第 5 章 控制系统的李雅普诺夫稳定 性分析 5.1 稳定性的基本概念 5.2 李雅普诺夫稳定性理论 5.3 李雅普诺夫方法在线性系统中的 应用 5.4 李雅普诺夫方法在非线性系统中 的应用 小结/习题 第 6 章 状态反馈和状态观测器 6.1 状态反馈的定义及其性质 6.2 极点配置 6.3 应用状态反馈实现解耦控制 6.4 状态观测器 6.5 带状态观测器的反馈系统 6.6 线性不确定系统的鲁棒控制 6.6.4 H控制简介 小结/习题 第 7 章 最优控制 7.1 最优控制问题 7.2 求解最优控制的变分方法 7.3 最大值原理 7.4 动态规划 7.5 线性二次型性能指标的最优控制 7.6 快速控制系统 小结/习题 第 8 章 状态估计 8.1 随机系统的描述 8.2 最小方差估计 8.3 线性最小方差估计 8.4 最小二乘估计 8.5 投影定理 8.6 卡尔曼滤波 8.7 利用 MATLAB 实现状态估计 小结/习题 附录 AMATLAB 软件包简介 参考文献 4 【现代控制理论】 （面向应用型） 基本情况： 学时：48 学时 08 学分：3 学分 适用范围：应用型大学自动化专业本科生、非自动化专业研究生。 课程描述： 本课程从线性空间理论出发，建立现代控制理论基础的基本概念，阐述基本原理和推导算法；例题与练 习题简单，偏向于方法的应用，有适当的一些应用实例。 覆盖基本概念： 系统动态方程的建立，线性时不变动态方程的解，传递函数矩阵，动态方程的等价变换；连续时间方程 的离散化；线性系统的可控性、可观测性，动态方程的标准形，动态方程的结构分解；传递函数的实现，向 量传递函数的实现，串联、并联、反馈结构的状态空间实现；系统的状态反馈，极点配置问题，跟踪问题， 状态观测器，用观测器构成的状态反馈系统；动态方程稳定性分析，李雅普诺夫意义下的稳定、渐近稳定， 李雅普诺夫方程及应用，系统 BIBO 稳定、稳定性与可控性、可观测性之间的关系，系统总体稳定；最优控 制问题的提法，最小值原理，线性二次型指标的最优控制，线性定常系统的状态调节器问题；最优滤波问题， 最小二乘估计，线性最小方差估计；离散型卡尔曼最优滤波方程，滤波基本方程使用要点，卡尔曼滤波的稳 定性、滤波发散及克服发散的方法。 涵盖基本知识： （1）简单物理系统的状态方程和输出方程的列写，包括传递函数、系统结构图、高阶微分方程转换为 状态方程和输出方程；（2）动态方程的求解，预解矩阵和矩阵指数的计算，动态方程的等价变换；（3）可 控性和可观性的判别，对偶原理；（4）动态方程的结构分解，化动态方程为特征值规范型、可控规范型和可 观规范型；（5）单输入系统的状态反馈极点配置方法（样稿指定节） ；（6）基本状态观测器的设计方法，用 观测器构成的状态反馈系统和分离原理；（7）动态方程稳定性分析；（8）李亚普诺夫方法在线性系统中的 应用；（9）最优控制的必要条件计算、极大值原理的应用、线性二次型指标最优控制问题的求解；（ 10）最小 二乘估计与线性最小方差估计的原理；（ 11）基本卡尔曼滤波的原理与计算方法，滤波的稳定性、滤波发散及 克服发散的方法。 对应教材： 4.1现代控制理论 难易度：适中 适用层次：应用型本科 ISBN：9787302145776 定价：35 元 出版日期：2007 年 1 月 作者： 谢克明 男，1944 年生，太原理工大学信息工程学院教授，博士生导师，全国优秀教师和山西省教学名 师；IEEE 会员，国际 Rough Set 学会委员；教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会委员，中国自动化 学会理事。长期从事控制科学与工程学科的教学与科研工作，主要研究领域为智能信息处理与智能控制、控 制理论与应用、复杂工业控制系统等。主持和参研完成国家自然科学基金、863 项目、省部级科研项目等 20 余项；获国家技术发明二等奖 1 项，山西省科技进步二等奖 2 项，山西省自然科学三等奖 1 项。主编出版 “十五”和“十一五”国家级规划教材和专著共 8 部。在国内外刊物和国际会议上发表论文 200 余篇。获山 西省教学成果奖多项。 本书特色： 1按照“理论讲透，重在应用”的原则，在不破坏理论的严谨性和系统性的前提下，不刻意追求定理 证明中数学上的严密性，而是突出物理概念，理论阐述力求严谨、实用、简练。 2强调现代控制理论的基本概念、基本原理和基本方法，重点突出。全书结构贯穿一条主线，即线性 系统的状态空间描述（数学模型） 能控性、能观测性和稳定性（基本性质分析） 状态反馈与状态观测 08 器设计（系统的综合与设计） 线性系统的最优控制问题 线性系统的状态估计。 3在内容编排上突出现代控制理论的基础部分，力求内