控制工程基础（第4版）

该教材是在董景新、赵长德、郭美凤、陈志勇、李冬梅编著的《控制工程基础》第3版的基础上重新编写的。《控制工程基础》第3版自2009年6月正式出版已五年多。自第1、2、3版教材相继出版以来，该教材随着“控制工程基础”课程在全国各高等院校的机械类、仪器类等非控制专业逐渐普遍开设，以及本教材声誉的不断提升，对教材的需求量也稳步增加。自出版以来根据需求该教材多次重新印刷，第1版11年时间累计印刷11次，总印数达53000册；第2版5年多时间累计印刷10次，总印数达60000册；第3版不到5年时间就累计12次印刷，总印数已达62500册。

本课程相继被评为清华大学、北京市和国家级精品课程，国家级精品资源共享课；清华大学等院校也将本课程确定为机械学院平台课。除本校使用该教材外，另有约100所兄弟院校的仪器仪表类和机械类专业将我们编著的教材选为使用教材和研究生入学考试参考书。随着需求量的增加，我们深感责任的加重，促使我们对于教材的编写精益求精、与时俱进，于是由目前在教学第一线的教师进一步编写了第4版教材。

第4版教材在以前各版的基础上各章都作了或多或少的补充和修改。鉴于LabVIEW是更加直观方便的图形化程序编译平台，在控制工程中得到越来越多的应用，增加了LabVIEW工具在控制工程应用的内容，独立成章，该章节由刘云峰副教授完成。该章介绍了借助LabVIEW，进行控制系统的数学建模、时间响应分析、频域响应分析、系统稳定性分析和系统综合校正设计等。同时，为了方便更好地理解掌握教材其他章节论述的概念和方法，特基于LabVIEW设计编写了配合教材使用的控制系统动态仿真、分析、演示软件，不仅可以完成对控制系统在时域和频域进行特性仿真分析，还可以动态地分析和演示控制系统中不同参数及参数变化对系统特性的影响。

另外，根据实际工程和科研的基本需求和多年的教学经验，在各章节内容论述上力求概念表达清楚准确，加强对问题的归纳说明，同时也适当增加了一些诸如内模原理和内模控制简要介绍的内容。

全书由董景新教授整理统编。

该教材广泛参考了国内外同类教材和其他有关文献，保持并突出以下特点:第4版前言控制工程基础（第4版）(1) 突出机械运动作为主要受控对象，并对其数学模型和分析综合重点研究;

(2) 对自动调节原理基本内容表达清楚，着重基本概念的建立和解决机电控制问题的基本方法的阐明，并简化或略去与机电工程距离较远、较艰深的严格数学推导内容;

(3) 引入和编写较多的例题与习题，便于自学;

(4) 反映机电一体化新技术和新分析方法。

对于属于该书领域的非基本内容，但在本领域文献中时有出现的较为繁难的部分，该教材中也作了一定介绍，其有关章节前注以“”号。

在有关LabVIEW章节的编写中，得到NI公司中国区刘洋工程师在实验设备和技术方面的支持帮助，并提供了部分素材，在此致谢！

该教材的编写得到了国家高等教育精品课建设项目、北京市高等教育精品教材建设项目和清华大学精品课建设项目经费的支持，纳入985清华大学名优教材立项资助，在此表示衷心感谢。

编者2014年10月

1概论1

1.1控制理论在工程中的应用和发展1

1.2自动控制系统的基本概念2

1.3控制理论在机械制造工业中的应用7

1.4课程主要内容及学时安排11

例题及习题12

2控制系统的动态数学模型15

2.1微分方程表示的基本环节数学模型15

2.2数学模型的线性化19

2.3拉氏变换及反变换21

2.4传递函数以及典型环节的传递函数31

2.5系统函数方块图及其简化41

2.6系统信号流图及梅逊公式44

2.7受控机械对象数学模型48

2.8绘制实际物理系统的函数方块图51

2.9控制系统数学模型的MATLAB实现58

2.10状态空间方程的基本概念62

例题及习题66

3时域瞬态响应分析76

3.1时域响应以及典型输入信号76

3.2一阶系统的瞬态响应78

3.3二阶系统的瞬态响应81

3.4时域分析性能指标87

3.5高阶系统的瞬态响应91

3.6借助MATLAB进行系统时间响应分析93

3.7时域瞬态响应的实验方法101

例题及习题103

4控制系统的频率特性111

4.1机电系统频率特性的概念及其基本实验方法111

4.2极坐标图118

4.3对数坐标图123

4.4由频率特性曲线求系统传递函数131

4.5由单位脉冲响应求系统的频率特性134

4.6对数幅相特性图135

4.7控制系统的闭环频响136

4.8机械系统动刚度的概念143

4.9借助MATLAB进行控制系统的频域响应分析144

4.10小结148

例题及习题148

5控制系统的稳定性分析155

5.1系统稳定性的基本概念155

5.2系统稳定的充要条件156

5.3代数稳定性判据157

5.4乃奎斯特稳定性判据163

5.5应用乃奎斯特稳定性判据分析延时系统的稳定性170

5.6由伯德图判断系统的稳定性174

5.7控制系统的相对稳定性177

5.8借助MATLAB分析系统稳定性181

例题及习题183

6控制系统的误差分析和计算189

6.1稳态误差的基本概念189

6.2输入引起的稳态误差190

6.3干扰引起的稳态误差194

6.4减小系统误差的途径198

6.5动态误差系数201

例题及习题203

7控制系统的综合与校正208

7.1系统的性能指标208

7.2系统的校正概述211

7.3串联校正212

7.4反馈校正221

7.5用频率法对控制系统进行综合与校正224

7.6典型控制系统举例235

7.7确定PID参数的其他方法246

7.8MATLAB在系统综合校正中的应用251

7.9小结254

例题及习题254

8根轨迹法261

8.1根轨迹与根轨迹方程261

8.2绘制根轨迹的基本法则264

8.3其他参数根轨迹图的绘制270

8.4根轨迹图绘制举例271

8.5系统闭环零点、极点的分布与性能指标274

8.6借助MATLAB进行系统根轨迹分析281

例题及习题283

9控制系统的非线性问题286

9.1概述286

9.2描述函数法289

9.3相轨迹法302

9.4李雅普诺夫稳定性方法319

9.5借助MATLAB分析系统非线性320

例题及习题32210计算机控制系统328

10.1计算机控制系统概述328

10.2线性离散系统的数学模型334

10.3线性离散系统的性能分析359

10.4计算机控制系统的模拟化设计方法367

10.5MATLAB在计算机控制系统中的应用372

例题及习题377

11基于LabVIEW的控制系统动态仿真演示软件384

11.1LabVIEW介绍384

11.2借助LabVIEW建立和分析控制系统387

11.3借助LabVIEW分析控制系统的时域特性398

11.4借助LabVIEW分析控制系统的频率特性402

11.5借助LabVIEW分析控制系统的稳定性412

11.6借助LabVIEW分析控制系统的稳态误差413

11.7LabVIEW在系统综合校正中的应用415

11.8借助LabVIEW进行系统根轨迹分析417

附录A拉普拉斯变换表419

附录B高阶最优模型最佳频比的证明423

习题参考答案426

参考文献4382100433B

该教材适用于机械类、仪器类及其他非控制专业本科生。包括控制系统的动态数学模型、时域瞬态响应分析、频率特性、稳定性分析、误差分析和计算、综合与校正、根轨迹法、非线性问题、计算机控制系统、以及MATLAB和LabVIEW软件工具在控制系统分析和综合中的应用。突出机械运动作为主要控制对象，着重基本概念的建立和解决机电控制问题的基本方法的阐明，并融入了有关的机电一体化新技术和新分析方法。

该教材是在董景新等编著的《控制工程基础》第3版的基础上，引入近年来相关内容的发展重新编写的，主要面向机械类、仪器类及其他非控制专业本科生，被列入普通高等教育国家级规划教材建设项目。主要内容包括：控制系统的动态数学模型、时域瞬态响应分析、控制系统的频率特性、控制系统的稳定性分析、控制系统的误差分析和计算、控制系统的综合与校正、根轨迹法、控制系统的非线性问题、计算机控制系统、MATLAB软件工具在控制系统分析和综合中的应用、LabVIEW工具在控制系统分析和综合中的应用。

该教材突出机械运动作为主要控制对象，并对其数学模型和分析综合重点做了介绍；着重基本概念的建立和解决机电控制问题的基本方法的阐明，并简化或略去与机电工程距离较远、较艰深的严格数学推导内容；引入和编写了较多的例题与习题，便于自学；该教材融入了有关的机电一体化新技术和新分析方法，可供相关领域的科技人员参考。同时，为了配合该教材的使用，还编写了《控制工程基础实验指导》和《控制工程基础习题解》以供选用。

该习题解是配合董景新、赵长德、郭美凤、陈志勇、刘云峰、李东峰编著的普通高等教育“十二五”普通高等教育国家级规划教材《控制工程基础》（第4版）编印的。该习题解是《控制工程基础》精品教材立体配套的一部分，对于新教材各章后的习题全部提供解答过程，以便教师和学生自学参考。

本书是在《控制工程基础(第3版)习题解》基础上编写而成的，主要是配合董景新、赵长德等编著的《控制工程基础(第4版)》教材(该教材被列为“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材)，与该教材各章后的习题相对应。该习题解对教材各章后的习题均做了较为详细的解答。内容包括:概论、控制系统的动态数学模型、时域瞬态响应分析、控制系统的频率特性、控制系统的稳定性分析、控制系统的误差分析和计算、控制系统的综合与校正、根轨迹法、控制系统的非线性问题、计算机控制系统。

该书可供机械类、仪器类及其他非控制专业的师生参考，还可供相关科研和工程技术人员自学参考。

• 配套教材

该教材配有辅助教材《控制工程基础（第3版）习题解》《控制工程基础实验指导》和教师用《控制工程基础习题解》。

• 课程资源

该教材还配有和多媒体课件。