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。

教授

2005年10月于教育部

序

《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会在对国内外部分大学有关自动化专业的教材做深入调研的基础上，广泛听取了各方面的意见，以招标方式，组织编写了一套面向全国本科生（兼顾研究生）、体现自动化专业教材整体规划和课程体系、强调专业基础和理论联系实际的系列教材，自2006年起将陆续面世。全套系列教材共50多本，涵盖了自动化学科的主要知识领域，大部分教材都配置了包括电子教案、多媒体课件、习题辅导、课程实验指导书等立体化教材配件。此外，为强调落实“加强实践教育，培养创新人才”的教学改革思想，还特别规划了一组专业实验教程，包括《自动控制原理实验教程》、《运动控制实验教程》、《过程控制实验教程》、《检测技术实验教程》和《计算机控制系统实验教程》等。

自动化科学技术是一门应用性很强的学科，面对的是各种各样错综复杂的系统，控制对象可能是确定性的，也可能是随机性的；   控制方法可能是常规控制，也可能需要优化控制。这样的学科专业人才应该具有什么样的知识结构，又应该如何通过专业教材来体现，这正是“系列教材编审委员会”规划系列教材时所面临的问题。为此，设立了《自动化专业课程体系结构研究》专项研究课题，成立了由清华大学萧德云教授负责，包括清华大学、上海交通大学、西安交通大学和东北大学等多所院校参与的联合研究小组，对自动化专业课程体系结构进行深入的研究，提出了按“控制理论与工程、控制系统与技术、系统理论与工程、信息处理与分析、计算机与网络、软件基础与工程、专业课程实验”等知识板块构建的课程体系结构。以此为基础，组织规划了一套涵盖几十门自动化专业基础课程和专业课程的系列教材。从基础理论到控制技术，从系统理论到工程实践，从计算机技术到信号处理，从设计分析到课程实验，涉及的知识单元多达数百个、知识点几千个，介入的学校50多所，参与的教授120多人，是一项庞大的系统工程。从编制招标要求、公布招标公告，到组织投标和评审，最后商定教材大纲，凝聚着全国百余名教授的心血，为的是编写出版一套具有一定规模、富有特色的、既考虑研究型大学又考虑应用型大学的自动化专业创新型系列教材。

然而，如何进一步构建完善的自动化专业教材体系结构？如何建设基础知识与最新知识有机融合的教材？如何充分利用现代技术，适应现代大学生的接受习惯，改变教材单一形态，建设数字化、电子化、网络化等多元形态、开放性的“广义教材”？等等，这些都还有待我们进行更深入的研究。

本套系列教材的出版，对更新自动化专业的知识体系、改善教学条件、创造个性化的教学环境，一定会起到积极的作用。但是由于受各方面条件所限，本套教材从整体结构到每本书的知识组成都可能存在许多不当甚至谬误之处，还望使用本套教材的广大教师、学生及各界人士不吝批评指正。

院士

2005年10月于清华大学

第2版前言

控制论及其应用在不断地发展着，对不同领域都有非常重要的作用和影响。20世纪50年代初教学改革后，国内各高等院校为工业企业电气化、电机电器、计算机等专业按苏联教材开设了“自动调整理论”课程，即现在的“自动控制原理”课程。后来随着各个专业的发展和教学改革，该课程的开设逐渐被扩展到航空航天、热能、锅炉、反应堆、自动控制、工业自动化等专业。20世纪80年代改革开放后，机械、建筑、管理、经济、农林、生物医学等专业也陆续开设该课程。这充分见证了自动控制理论和应用的广泛适应性，以及科技发展对该理论的强烈需求。

在这样的情况下，如何为广大非自动化专业建设合适的“自动调整理论”教材成为一个非常重要的问题。这类教材不仅要讲授自动控制理论（实际上就是工程控制论）的基本原理，也应该介绍它在有关专业领域的应用。此外，各个专业根据各自的需要，还希望补充自动控制理论分支的某些内容，如有的希望补充“系统辨识”（实验建模），有的强调补充“智能控制”，有的强调“自适应控制”，有的强调“滤波和估计”，还有的强调“最优控制”等等。更多的专业希望补充两种以上的这类知识的组合。

对于自动化类专业来说，教学设计与教学安排的后继课程或教学环节能满足这样的需求，而针对不同类型非自动化专业的单科教材就需要充分照顾到这样的需求。本教材正是为满足广大非自动化专业本科生或研究生这类需求而编写的。从控制论的角度来说，该教材除包含自动控制原理的基础知识外，也包括上述多方面分支内容的简要介绍，并直接冠以《控制论》的书名。

全书第2版由各章原作者负责修订和更新外，第2章新增4节： “进化与适应”、“智能与学习”、“自繁殖与自组织”、“必需变异度律”； 第9章增加了“意念控制”一节。此外，新增附录C “随机过程简述”由韩崇昭负责编写。

虽然认真做了修改和补充，错误和不当之处仍然难免，欢迎广大读者对本书结构、内容提出批评、指正意见。

谨以此书第2版纪念控制论创始人诺伯特·维纳诞生120周年，并以此迎接21世纪中华民族的伟大复兴。

编者

西安交通大学电子与信息工程学院

2014年1月

第1版前言

美国数学家诺伯特·维纳（Norbert Wiener，1894—1964）震惊世界学术界的题为《控制论： 或在动物和机器中的通信和控制》的著作，于1948年出版。从此，控制论作为一门独立的、跨学科的新兴学科呈现在世界学术界。

近60年来控制论的理论、概念和方法在计算机技术的支持下，已经远远超越了60年前主要为工业生产和军事装备服务的范围，广泛应用到生物、医学、生理、生态、环境、能源、政治、军事和社会科学的各领域，如社会、经济、管理、人口、教育等。

控制论因而迅速发展并形成多个分支： 医学控制论、神经控制论、生物控制论

、工程控制论、环境控制论、经济控制论、社会控制论、生态控制论、自然控制论、智能控制论、军事控制论以及派生的人口控制论、资源控制论等，它们在国民经济和社会的发展中，特别是在中国人口控制和国民经济宏观调控上，起了极其重要的作用。同时控制论本身也得到了发展。

控制论在中国发展前景广阔。国家要提高自主创新能力，社会要发展，科学在交叉、交互、融合，技术革命方兴未艾。控制论及自动化技术与微电子技术的结合扩大了前者的应用范围，在发挥日益重要的作用。但是，长期以来就发现社会上缺少能为广大非自动化（自动控制）专业的人员接受的，能对他们理解和应用控制论有帮助的控制论基础教材或参考书。《控制论——概念、方法与应用》的任务就在于推广控制论的思想，将它的概念、思想、方法和在各分支中的应用作简单的介绍，以便读者在实际工作中使用和实践这种思想，并能促使所思考和研究的问题得到妥善甚至最优的解决。

为此，《控制论——概念、方法与应用》定位为一本适用于工、农、林、经济、管理、商、医、军工、生物医学等非自动化类专业本科生的专业基础课、高年级学生或研究生选课用的教材，以及国家公务员、管理层人员、企业（公司）员工等普及控制论思想和推广其应用的参考书籍。在介绍控制论方法时本教材要涉及自动控制原理（理论），但本书不是作为控制工程的教材而编写的。

《控制论——概念、方法与应用》在内容安排上虽然也基于高等数学来讲述课文内容，但仍侧重于概念、思想、知识、方法的描述，而不偏向过多的理论、论证的论述。同时注意从控制论、信息论、系统论的角度结合网络环境条件进行讲述。

本书的大纲初稿由万百五提出，曾经由编者3人讨论而“十二易其稿”。

全书分为3个板块： 控制论的基本概念篇、控制论的基本方法篇和控制论的应用分支篇，共11章。

控制论的基本概念篇由第1章绪论（由万百五编写）和第2章基本概念（由韩崇昭编写）组成。

控制论的基本方法篇由第3章经典控制理论与方法、第4章非线性系统控制方法（两章由万百五编写）、第5章现代控制理论与方法（由韩崇昭编写）、第6章人工智能方法与技术（由蔡远利编写）和第7章智能控制方法（由万百五编写）组成。

控制论的应用分支篇由第8章工程控制、第9章生物控制（两章由蔡远利编写）、第10章社会经济与生态、环境及农业控制（由万百五编写）以及第11章机器人与智能系统（由韩崇昭编写）组成。在这几个领域对控制论的应用作了简明的介绍和阐述。

附录A拉普拉斯变换简表和附录B矩阵初步（由万百五编写）供读者查阅。全书由万百五加以统稿。

全书方法篇和应用篇（包括前者的许多例子都联系到应用）两者的比例大致为一比一，这对于一个具体专业来说应用的介绍当然显得很不够。所以读者在学习时还要适当参考其他有关专业控制论的书籍。

各专业教师在应用本书进行讲授时根据专业需要，首先选择“应用分支篇”中一个方向，再在“基本方法篇”中选择合适的章节和深度。编者为满足各类型专业的需要和留作日后必要的知识储备在编写时取材都略扩大范围和加深深度。

本书审稿人萧德云教授和窦曰轩教授对本书仔细审稿，并提出许多宝贵意见，在此表示衷心的感谢。同时要感谢西安理工大学郭会军博士，他对万百五在第3章中有关MATLAB的例题进行计算时提供了帮助。

谨以此书纪念维纳的《控制论》创立60周年参见万百五. 

控制论创立六十年，控制理论与应用，2008，25（4）： 597~602，并以此迎接21世纪中华民族的伟大复兴。

为这样一门跨学科的、新兴学科编写一本各类型、各专业的读者都满意的教材，编者深感不易。所有疏漏、不当之处恳请读者批评、指正。

编者

西安交通大学电子与信息工程学院

2008年7月