控制工程基礎(chǔ)（第4版）

該教材是在董景新、趙長德、郭美鳳、陳志勇、李冬梅編著的《控制工程基礎(chǔ)》第3版的基礎(chǔ)上重新編寫的?！犊刂乒こ袒A(chǔ)》第3版自2009年6月正式出版已五年多。自第1、2、3版教材相繼出版以來，該教材隨著“控制工程基礎(chǔ)”課程在全國各高等院校的機(jī)械類、儀器類等非控制專業(yè)逐漸普遍開設(shè)，以及本教材聲譽(yù)的不斷提升，對教材的需求量也穩(wěn)步增加。自出版以來根據(jù)需求該教材多次重新印刷，第1版11年時間累計印刷11次，總印數(shù)達(dá)53000冊；第2版5年多時間累計印刷10次，總印數(shù)達(dá)60000冊；第3版不到5年時間就累計12次印刷，總印數(shù)已達(dá)62500冊。

本課程相繼被評為清華大學(xué)、北京市和國家級精品課程，國家級精品資源共享課；清華大學(xué)等院校也將本課程確定為機(jī)械學(xué)院平臺課。除本校使用該教材外，另有約100所兄弟院校的儀器儀表類和機(jī)械類專業(yè)將我們編著的教材選為使用教材和研究生入學(xué)考試參考書。隨著需求量的增加，我們深感責(zé)任的加重，促使我們對于教材的編寫精益求精、與時俱進(jìn)，于是由目前在教學(xué)第一線的教師進(jìn)一步編寫了第4版教材。

第4版教材在以前各版的基礎(chǔ)上各章都作了或多或少的補(bǔ)充和修改。鑒于LabVIEW是更加直觀方便的圖形化程序編譯平臺，在控制工程中得到越來越多的應(yīng)用，增加了LabVIEW工具在控制工程應(yīng)用的內(nèi)容，獨(dú)立成章，該章節(jié)由劉云峰副教授完成。該章介紹了借助LabVIEW，進(jìn)行控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、時間響應(yīng)分析、頻域響應(yīng)分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和系統(tǒng)綜合校正設(shè)計等。同時，為了方便更好地理解掌握教材其他章節(jié)論述的概念和方法，特基于LabVIEW設(shè)計編寫了配合教材使用的控制系統(tǒng)動態(tài)仿真、分析、演示軟件，不僅可以完成對控制系統(tǒng)在時域和頻域進(jìn)行特性仿真分析，還可以動態(tài)地分析和演示控制系統(tǒng)中不同參數(shù)及參數(shù)變化對系統(tǒng)特性的影響。

另外，根據(jù)實際工程和科研的基本需求和多年的教學(xué)經(jīng)驗，在各章節(jié)內(nèi)容論述上力求概念表達(dá)清楚準(zhǔn)確，加強(qiáng)對問題的歸納說明，同時也適當(dāng)增加了一些諸如內(nèi)模原理和內(nèi)?？刂坪喴榻B的內(nèi)容。

全書由董景新教授整理統(tǒng)編。

該教材廣泛參考了國內(nèi)外同類教材和其他有關(guān)文獻(xiàn)，保持并突出以下特點(diǎn):第4版前言控制工程基礎(chǔ)（第4版）(1) 突出機(jī)械運(yùn)動作為主要受控對象，并對其數(shù)學(xué)模型和分析綜合重點(diǎn)研究;

(2) 對自動調(diào)節(jié)原理基本內(nèi)容表達(dá)清楚，著重基本概念的建立和解決機(jī)電控制問題的基本方法的闡明，并簡化或略去與機(jī)電工程距離較遠(yuǎn)、較艱深的嚴(yán)格數(shù)學(xué)推導(dǎo)內(nèi)容;

(3) 引入和編寫較多的例題與習(xí)題，便于自學(xué);

(4) 反映機(jī)電一體化新技術(shù)和新分析方法。

對于屬于該書領(lǐng)域的非基本內(nèi)容，但在本領(lǐng)域文獻(xiàn)中時有出現(xiàn)的較為繁難的部分，該教材中也作了一定介紹，其有關(guān)章節(jié)前注以“”號。

在有關(guān)LabVIEW章節(jié)的編寫中，得到NI公司中國區(qū)劉洋工程師在實驗設(shè)備和技術(shù)方面的支持幫助，并提供了部分素材，在此致謝！

該教材的編寫得到了國家高等教育精品課建設(shè)項目、北京市高等教育精品教材建設(shè)項目和清華大學(xué)精品課建設(shè)項目經(jīng)費(fèi)的支持，納入985清華大學(xué)名優(yōu)教材立項資助，在此表示衷心感謝。

編者2014年10月

1概論1

1.1控制理論在工程中的應(yīng)用和發(fā)展1

1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念2

1.3控制理論在機(jī)械制造工業(yè)中的應(yīng)用7

1.4課程主要內(nèi)容及學(xué)時安排11

例題及習(xí)題12

2控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型15

2.1微分方程表示的基本環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型15

2.2數(shù)學(xué)模型的線性化19

2.3拉氏變換及反變換21

2.4傳遞函數(shù)以及典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)31

2.5系統(tǒng)函數(shù)方塊圖及其簡化41

2.6系統(tǒng)信號流圖及梅遜公式44

2.7受控機(jī)械對象數(shù)學(xué)模型48

2.8繪制實際物理系統(tǒng)的函數(shù)方塊圖51

2.9控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的MATLAB實現(xiàn)58

2.10狀態(tài)空間方程的基本概念62

例題及習(xí)題66

3時域瞬態(tài)響應(yīng)分析76

3.1時域響應(yīng)以及典型輸入信號76

3.2一階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)78

3.3二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)81

3.4時域分析性能指標(biāo)87

3.5高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)91

3.6借助MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)時間響應(yīng)分析93

3.7時域瞬態(tài)響應(yīng)的實驗方法101

例題及習(xí)題103

4控制系統(tǒng)的頻率特性111

4.1機(jī)電系統(tǒng)頻率特性的概念及其基本實驗方法111

4.2極坐標(biāo)圖118

4.3對數(shù)坐標(biāo)圖123

4.4由頻率特性曲線求系統(tǒng)傳遞函數(shù)131

4.5由單位脈沖響應(yīng)求系統(tǒng)的頻率特性134

4.6對數(shù)幅相特性圖135

4.7控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻響136

4.8機(jī)械系統(tǒng)動剛度的概念143

4.9借助MATLAB進(jìn)行控制系統(tǒng)的頻域響應(yīng)分析144

4.10小結(jié)148

例題及習(xí)題148

5控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析155

5.1系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念155

5.2系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件156

5.3代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)157

5.4乃奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)163

5.5應(yīng)用乃奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)分析延時系統(tǒng)的穩(wěn)定性170

5.6由伯德圖判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性174

5.7控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性177

5.8借助MATLAB分析系統(tǒng)穩(wěn)定性181

例題及習(xí)題183

6控制系統(tǒng)的誤差分析和計算189

6.1穩(wěn)態(tài)誤差的基本概念189

6.2輸入引起的穩(wěn)態(tài)誤差190

6.3干擾引起的穩(wěn)態(tài)誤差194

6.4減小系統(tǒng)誤差的途徑198

6.5動態(tài)誤差系數(shù)201

例題及習(xí)題203

7控制系統(tǒng)的綜合與校正208

7.1系統(tǒng)的性能指標(biāo)208

7.2系統(tǒng)的校正概述211

7.3串聯(lián)校正212

7.4反饋校正221

7.5用頻率法對控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合與校正224

7.6典型控制系統(tǒng)舉例235

7.7確定PID參數(shù)的其他方法246

7.8MATLAB在系統(tǒng)綜合校正中的應(yīng)用251

7.9小結(jié)254

例題及習(xí)題254

8根軌跡法261

8.1根軌跡與根軌跡方程261

8.2繪制根軌跡的基本法則264

8.3其他參數(shù)根軌跡圖的繪制270

8.4根軌跡圖繪制舉例271

8.5系統(tǒng)閉環(huán)零點(diǎn)、極點(diǎn)的分布與性能指標(biāo)274

8.6借助MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)根軌跡分析281

例題及習(xí)題283

9控制系統(tǒng)的非線性問題286

9.1概述286

9.2描述函數(shù)法289

9.3相軌跡法302

9.4李雅普諾夫穩(wěn)定性方法319

9.5借助MATLAB分析系統(tǒng)非線性320

例題及習(xí)題32210計算機(jī)控制系統(tǒng)328

10.1計算機(jī)控制系統(tǒng)概述328

10.2線性離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型334

10.3線性離散系統(tǒng)的性能分析359

10.4計算機(jī)控制系統(tǒng)的模擬化設(shè)計方法367

10.5MATLAB在計算機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用372

例題及習(xí)題377

11基于LabVIEW的控制系統(tǒng)動態(tài)仿真演示軟件384

11.1LabVIEW介紹384

11.2借助LabVIEW建立和分析控制系統(tǒng)387

11.3借助LabVIEW分析控制系統(tǒng)的時域特性398

11.4借助LabVIEW分析控制系統(tǒng)的頻率特性402

11.5借助LabVIEW分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性412

11.6借助LabVIEW分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差413

11.7LabVIEW在系統(tǒng)綜合校正中的應(yīng)用415

11.8借助LabVIEW進(jìn)行系統(tǒng)根軌跡分析417

附錄A拉普拉斯變換表419

附錄B高階最優(yōu)模型最佳頻比的證明423

習(xí)題參考答案426

參考文獻(xiàn)4382100433B

該教材適用于機(jī)械類、儀器類及其他非控制專業(yè)本科生。包括控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型、時域瞬態(tài)響應(yīng)分析、頻率特性、穩(wěn)定性分析、誤差分析和計算、綜合與校正、根軌跡法、非線性問題、計算機(jī)控制系統(tǒng)、以及MATLAB和LabVIEW軟件工具在控制系統(tǒng)分析和綜合中的應(yīng)用。突出機(jī)械運(yùn)動作為主要控制對象，著重基本概念的建立和解決機(jī)電控制問題的基本方法的闡明，并融入了有關(guān)的機(jī)電一體化新技術(shù)和新分析方法。

該教材是在董景新等編著的《控制工程基礎(chǔ)》第3版的基礎(chǔ)上，引入近年來相關(guān)內(nèi)容的發(fā)展重新編寫的，主要面向機(jī)械類、儀器類及其他非控制專業(yè)本科生，被列入普通高等教育國家級規(guī)劃教材建設(shè)項目。主要內(nèi)容包括：控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型、時域瞬態(tài)響應(yīng)分析、控制系統(tǒng)的頻率特性、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、控制系統(tǒng)的誤差分析和計算、控制系統(tǒng)的綜合與校正、根軌跡法、控制系統(tǒng)的非線性問題、計算機(jī)控制系統(tǒng)、MATLAB軟件工具在控制系統(tǒng)分析和綜合中的應(yīng)用、LabVIEW工具在控制系統(tǒng)分析和綜合中的應(yīng)用。

該教材突出機(jī)械運(yùn)動作為主要控制對象，并對其數(shù)學(xué)模型和分析綜合重點(diǎn)做了介紹；著重基本概念的建立和解決機(jī)電控制問題的基本方法的闡明，并簡化或略去與機(jī)電工程距離較遠(yuǎn)、較艱深的嚴(yán)格數(shù)學(xué)推導(dǎo)內(nèi)容；引入和編寫了較多的例題與習(xí)題，便于自學(xué)；該教材融入了有關(guān)的機(jī)電一體化新技術(shù)和新分析方法，可供相關(guān)領(lǐng)域的科技人員參考。同時，為了配合該教材的使用，還編寫了《控制工程基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)》和《控制工程基礎(chǔ)習(xí)題解》以供選用。

該習(xí)題解是配合董景新、趙長德、郭美鳳、陳志勇、劉云峰、李東峰編著的普通高等教育“十二五”普通高等教育國家級規(guī)劃教材《控制工程基礎(chǔ)》（第4版）編印的。該習(xí)題解是《控制工程基礎(chǔ)》精品教材立體配套的一部分，對于新教材各章后的習(xí)題全部提供解答過程，以便教師和學(xué)生自學(xué)參考。

本書是在《控制工程基礎(chǔ)(第3版)習(xí)題解》基礎(chǔ)上編寫而成的，主要是配合董景新、趙長德等編著的《控制工程基礎(chǔ)(第4版)》教材(該教材被列為“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材)，與該教材各章后的習(xí)題相對應(yīng)。該習(xí)題解對教材各章后的習(xí)題均做了較為詳細(xì)的解答。內(nèi)容包括:概論、控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型、時域瞬態(tài)響應(yīng)分析、控制系統(tǒng)的頻率特性、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、控制系統(tǒng)的誤差分析和計算、控制系統(tǒng)的綜合與校正、根軌跡法、控制系統(tǒng)的非線性問題、計算機(jī)控制系統(tǒng)。

該書可供機(jī)械類、儀器類及其他非控制專業(yè)的師生參考，還可供相關(guān)科研和工程技術(shù)人員自學(xué)參考。

• 配套教材

該教材配有輔助教材《控制工程基礎(chǔ)（第3版）習(xí)題解》《控制工程基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)》和教師用《控制工程基礎(chǔ)習(xí)題解》。

• 課程資源

該教材還配有和多媒體課件。