前言
隨著控制理論的發展、控制工程實踐的深入和科學技術的進步，過去很多需要專業技術人員才可以完成的系統設計和調試任務，現在很容易借助設備的在線使用說明和幫助文件，由一般技術人員來完成，難度和工作量都大大減小了。而另一方面，對於從事產品設計開發的技術人員來說情況正好相反，面對越來越高的產品設計要求和越來越複雜的控制工程問題，單迴路輸入輸出設計往往難以滿足產品開發和控制工程的實際需求，迫切需要更多、更先進、更有效的系統分析和設計手段。狀態空間描述以及建立在這種描述之上的系統設計方法，例如係統優化的設計方法，複雜系統和非線性系統的分析方法和設計方法，自適應、魯棒、智能或模糊的設計方法等，已經逐漸成為控制工程師們必備和常用的知識。
然而，自20世紀四五十年代自動控制經典理論、七八十年代現代控制理論形成以來，自動控制原理和現代控制理論課程，大綱和教材內容三十年間變化不大。特別是近十幾年來，控制理論相關課程難教難學，教學效果不太理想，學生學習興趣不高，難以將所學知識形成一個相互聯繫的有機整體，綜合運用和解決實際問題的能力偏弱的問題越來越突出。其中，以控制理論發展的前後兩個階段為分界，自動控制經典理論的內容缺乏必要的系統基礎知識作支撐，在局部細節上佔用的課時太多，現代控制理論的內容又太過空洞，在講述了一大堆概念和判據之後，學生並不知道如何應用這些結果去指導具體的系統設計。因此，人們會產生疑問： 一個簡單的PID控制講那麼多內容有必要嗎？為什麼總是PID？如何利用現代控制理論的知識去得到更好的設計？
2000年，美國空軍科研部（Air Force Office of Scientific Research）邀請世界各國的一些著名控制專家成立了一個委員會，研討21世紀控制科學的未來方向，於2002年6月發布了一份104頁的報告： 《信息爆炸時代的控制——關於控制、動力學和系統未來方向的專家小組報告》（Control in an Information Rich World: Report of the Panel on Future Directions in Control, Dynamics and Systems），闡述了21世紀控制科學的發展機遇與挑戰，建議對過去40年控制科學的研究成果進行系統性梳理，為專業和非專業人士開發新的課程和教科書，使控制課程成為大學理工科專業的必修課，以滿足未來控制科學教育的需求。 2008年，在由中國自動化學會組織編寫的《控制科學與工程學科發展報告（2007—2008）》中，也指出了控制科學與工程學科基礎教育及課程體系改革的必要性和緊迫性。
總的來說，一方面經典控制理論闡述的根軌跡法和伯德圖法使得單變量系統的分析、設計過程大為簡化，採用的一階或二階調節器因為有明確的物理意義，參數調整往往可以憑經驗在線完成。另一方面，經典理論的設計方法用主導極點或主導零、極點規定係統的特性，是一種輸入輸出設計，限制了系統性能的提高，為得到性能更為優異的系統設計，需要用現代控制理論的方法才能解決。由此，在學習和實踐過程中，了解不同方法的設計思路，明確各自的優缺點和應用範圍，比給出某個具體的設計更重要。在國外，減少根軌跡和伯德圖兩種方法的講述，增加線性系統的基礎知識，其趨勢已經很明顯。國內也有根軌跡法和伯德圖法孰輕孰重，是否可以只講一種方法的爭論，有些教材則試圖將經典和現代理論放在一起講述，但簡單的整合併未達到預期的目的，還缺乏成功的經驗。
為了彌補現有教材在上述方面的不足，本書試圖通過問題解答的形式，用簡單的語言來揭示單變量和多變量控制系統分析與設計共同遵循的規律。另外作為教輔書，還給出了作者編著的《自動控制原理（第二版）》和《現代控制理論（第二版）》兩本教材全部習題的解答。本書作為一種新的嘗試，難免存在不足之處，歡迎讀者不吝指正。
夏超英
2017年10月於天津大學
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