工程控制基础（第2版）

第1章绪论

1.1引言

1.2自动控制系统的基本原理和组成

1.2.1自动控制系统

1.2.2反馈原理与优化设计

1.2.3自动控制系统的组成

1.3自动控制系统的分类

1.3.1按信号的传递路径来分

1.3.2按系统输出信号的变化规律来分

1.3.3按系统传输信号的性质来分

1.3.4按系统的输入输出特性来分

1.4控制系统实例

1.4.1内燃机的转速控制系统

1.4.2角度随动系统

1.5本书概貌

习题

第2章控制系统的数学模型

2.1控制系统的时域数学模型——微分方程

2.1.1系统的微分方程举例

2.1.2非线性系统的线性化

2.2控制系统的复域数学模型——传递函数

2.2.1传递函数定义

2.2.2传递函数性质

2.3控制系统的频域数学模型——频率特性

2.4典型环节及其传递函数

2.4.1比例环节

2.4.2微分环节

2.4.3积分环节

2.4.4惯性环节（非周期环节）

2.4.5振荡环节

2.4.6时间延迟环节（时滞环节）

2.5控制系统的方块图

2.5.1系统方块图

2.5.2方块图的基本运算法则

2.5.3系统常用的传递函数

2.5.4方块图的简化法则

2.6信号流图

2.6.1几个定义

2.6.2信号流图的性质及运算法则

2.6.3信号流图与方块图之间等效关系

2.6.4梅逊公式

2.7物理元件和系统的数学模型

2.7.1机械系统

2.7.2电气系统

2.7.3热力系统

2.7.4液位系统

2.7.5典型位置随动系统的数学模型

2.8MATLAB在系统数学模型转换中的应用

2.8.1MATLAB中传递函数的分式多项式的表示

2.8.2传递函数的零极点表示

2.8.3用MATLAB计算系统的传递函数

2.8.4MATLAB中多项式与因式分解形式的互相转换

小结

习题

第3章自动控制系统的时域分析

3.1典型测试信号

3.1.1阶跃信号

3.1.2速度信号（斜坡信号）

3.1.3加速度信号（抛物线信号）

3.1.4脉冲信号

3.1.5正弦信号

3.2控制系统的稳定性分析

3.2.1稳定性的基本概念

3.2.2线性定常系统稳定的充分必要条件

3.2.3劳斯稳定性判据

3.2.4用MATLAB分析系统的稳定性

3.3控制系统的稳态特性——稳态误差分析

3.3.1稳态误差和控制系统类型

3.3.2稳态误差系数和稳态误差计算

3.3.3几点结论

3.4控制系统的动态特性——动态响应分析

3.4.1控制系统动态响应指标

3.4.2一阶系统的动态响应

3.4.3二阶系统动态响应的描述参数

3.4.4二阶系统的单位阶跃响应

3.4.5二阶系统的动态响应指标

3.4.6二阶系统的参数优化

3.5高阶系统的动态响应

3.5.1高阶系统动态响应的特点

3.5.2主导极点、偶极子和附加零极点

3.6利用MATLAB分析系统性能

3.6.1step命令

3.6.2impulse命令

3.6.3lsim命令

小结

习题

第4章根轨迹法

4.1闭环系统的根轨迹

4.1.1根轨迹的定义

4.1.2根轨迹的幅值条件和相角条件

4.2绘制根轨迹的基本规则

4.2.1绘制根轨迹的基本规则和步骤

4.2.2开环零、极点的变化对根轨迹的影响

4.3根轨迹在系统参数优化中的应用

4.3.1用根轨迹分析闭环主导极点

4.3.2用根轨迹优化系统的主导极点

4.4用MATLAB绘制根轨迹

小结

习题

第5章线性系统的频域分析——频率响应法

5.1频率特性

5.1.1线性定常系统对正弦输入信号的响应

5.1.2系统的频率特性

5.1.3频率特性的性质

5.2频率特性图

5.2.1频率特性的极坐标图（奈氏图）

5.2.2典型环节的奈氏图

5.2.3对数频率特性图（伯德图）

5.2.4基本因子的伯德图

5.2.5控制系统的伯德图

5.2.6最小相位系统和非最小相位系统

5.2.7对数幅相特性图

5.2.8用MATLAB作频率特性图

5.3频域中的稳定性判据

5.3.1引言

5.3.2幅角原理

5.3.3奈氏稳定性判据

5.3.4伯德图的奈氏判据

5.4根据伯德图求系统传递函数

5.5基于频率特性的性能分析与优化设计

5.5.1开环频率特性的性能指标

5.5.2稳定裕量

5.5.3开环频域指标与时域性能指标的关系

5.5.4基于闭环频率特性的系统性能分析

5.5.5从尼科尔斯图求闭环系统的频域指标

5.5.6用MATLAB分析系统的动态性能

小结

习题

第6章线性控制系统的设计

6.1引言

6.2不同域中系统动态性能指标的相互关系

6.3串联校正

6.3.1相位超前校正

6.3.2相位滞后校正

6.3.3相位超前滞后校正

6.3.4有源校正网络

6.3.5不希望极点的抵消

6.4局部反馈校正

6.4.1局部反馈校正的基本原理

6.4.2速度反馈

6.4.3速度微分反馈

6.5PID控制器

6.5.1比例积分控制

6.5.2比例微分控制

6.5.3比例积分微分控制

6.5.4PID的参数优化

6.5.5PID控制的实现

6.6前馈补偿与复合控制

6.6.1按输入补偿的复合控制系统

6.6.2按扰动补偿的复合控制系统

小结

习题

第7章非线性反馈控制系统

7.1非线性控制系统概述

7.1.1典型非线性特性

7.1.2非线性系统的特点

7.2描述函数法

7.2.1描述函数的基本概念

7.2.2典型非线性特性的描述函数

7.2.3组合非线性特性的描述函数

7.2.4非线性系统的描述函数分析

7.3相平面法

7.3.1相轨迹的基本概念

7.3.2奇点和极限环

7.3.3相轨迹的绘制

7.3.4非线性系统的相平面分析

7.4利用非线性特性优化系统的性能

7.5MATLAB在非线性控制系统中的应用

小结

习题

第8章计算机控制系统

8.1概述

8.2计算机控制系统的硬件组成

8.3采样与恢复

8.3.1采样过程

8.3.2采样定理

8.3.3信号恢复

8.4z变换

8.4.1z变换的定义

8.4.2z变换的基本性质

8.4.3z变换的求法

8.4.4z反变换的求法

8.5脉冲传递函数

8.5.1数字部分的脉冲传递函数

8.5.2连续部分的脉冲传递函数

8.5.3采样器位置的重要性

8.5.4闭环脉冲传递函数

8.6离散控制系统的性能分析

8.6.1离散控制系统的稳定性分析

8.6.2离散控制系统的动态性能分析

8.6.3离散控制系统的稳态性能分析

8.7数字控制器的设计

8.7.1数字控制器的模拟化设计

8.7.2数字控制器的直接设计

8.8MATLAB在离散控制系统中的应用

小结

习题

附录1常见系统的根轨迹

附录2拉氏变换及z变换表

附录3常用校正装置

参考文献

本书的主要任务是讲述自动控制系统的基本原理，指导学生掌握实际控制系统的分析和设计方法，树立优化设计思想。内容包括系统结构图的绘制、数学模型的建立、性能分析与补偿设计。主要包括系统在三域（时域、复域、频域）中的数学模型，系统分析的三要素（稳定性、静态特性和动态特性），以及基于根轨迹法和频率法的校正装置的设计方法，非线性系统及计算机控制系统的分析与设计，等等。

MATLAB是当前一种常用的计算机辅助设计软件，它为控制系统的分析与设计提供了专用的工具包。本书在各章都将介绍MATLAB的相关应用。本书基本概念清晰，工程实例丰富，配有大量习题（包括一般题、深入题、实际题和MATLAB题）。

本书可作为高等学校工科各专业，如电子信息类、机械工程类、电气工程类、仪器仪表类、工程物理类等专业本科生学习控制理论的教材，也可供相关领域专业技术人员参考。

机械工程控制基础（第三版）配套教材

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机械工程控制基础（第三版）课程资源

《机械工程控制基础（第三版）》配有慕课——“机械工程控制基础”。

工程控制基础的主要任务是讲清自动控制系统的基本原理，指导学生学会对实际控制系统的抽象，完成机构图的绘制、数学模型的建立和对控制系统的分析与设计。主要包括系统在三域（时域、复域、频域）中的数学模型，系统分析的三要素（稳定性、静态特性和动态特性），以及基于根轨迹法和频率法设计系统各种校正装置的方法，等等。

《机械工程控制基础/普通高等院校“十二五”规划教材 普通高等院校机电工程类规划教材》根据应用型本科办学的定位，为适应机械类专业的教学需要而编写。《机械工程控制基础/普通高等院校“十二五”规划教材 普通高等院校机电工程类规划教材》讲述了机械工程控制的基本原理、分析和综合方法及其在机械工程中的实际应用，主要包括以下内容：机械工程控制的基本概念、研究对象和任务；机电系统数学模型的基本概念及建立方法，拉氏变换的应用，传递函数与方框图的求取、简化与演算等；典型机电系统的时域分析方法、性能指标以及系统误差分析方法；机电系统的频域分析方法；判别线性系统稳定性的基本概念和常用判据；系统的综合与校正的常用方法；根轨迹分析法等。

《机械工程控制基础/普通高等院校“十二五”规划教材 普通高等院校机电工程类规划教材》适用于普通高等院校机械类相关专业，既可作为教材使用，也可供相关技术人员作为参考书。