机械控制工程基础(第3版)

本书主要讲述机械工程控制的基本原理和基本知识，内容包括系绪论、拉普拉斯变换、系统的数学模型、时间响应分析、系统频率响应分析、系统稳定性分析、系统校正、根轨迹法、线性离散系统、MATLAB在控制工程中的应用等。 本书强调基本概念和基本方法，注重方法论述的逻辑性和严谨性，同时在论述过程中根据工科学生的具体情况尽量避免高深的数学论证，紧密结合控制与机械工程实际，用机械与电气实例解释说明一些基本理论和基本方法，以使其能很好地在数理知识和专业知识之间起到桥梁的作用。 本书可作为高等学校机械设计制造及自动化、机电一体化等专业本科生和专科生的教材，也可作为有关教师与工程技术人员的参考书。 为了更好地配合课堂教学，本书配有多媒体教学课件。

玄兆燕，1982― 1987年：四川建筑材料学院（现西南科技大学）自动化专业任教师；1987―1999年 ：河北省唐山钢铁公司工作；1999年至今 ：河北理工大学机械工程学院传动控制专业任教；著有《机械工程控制基础》， 电子工业出版社于2006年8月出版，多次重印。

第1章 绪论 （1） 1.1 引言 （1） 1.1.1 控制工程发展史 （1） 1.1.2 机械控制工程的研究对象与任务 （2） 1.2 控制系统简介 （3） 1.2.1 控制系统的分类 （3） 1.2.2 闭环控制系统的组成 （7） 1.2.3 对控制系统的基本要求 （7） 1.3 思政元素 （8） 1.3.1 控制工程史的演变及特色 （8） 1.3.2 大国制造的振兴与崛起 （9） 1.3.3 控制工程发展中的哲学思考 （9） 本章小结 （10） 习题1 （10） 第2章 拉普拉斯变换 （11） 2.1 复变量与复变函数 （12） 2.1.1 复变量 （12） 2.1.2 复变函数 （12） 2.1.3 欧拉公式 （12） 2.2 拉氏变换的概念 （13） 2.2.1 问题的提出 （13） 2.2.2 拉氏变换的存在定理 （14） 2.3 拉氏变换的性质 （20） 2.3.1 线性性质 （20） 2.3.2 微分性质 （21） 2.3.3 积分性质 （23） 2.3.4 位移性质 （24） 2.3.5 延迟性质 （24） 2.3.6 尺度变换 （25） 2.3.7 初值定理、终值定理 （26） 2.4 拉氏逆变换 （28） 2.5 卷积 （32） 2.5.1 卷积的概念 （33） 2.5.2 卷积定理 （33） 2.6 思政元素 （37） 2.6.1 从傅里叶到拉普拉斯感悟包容与探索 （37） 2.6.2 透过积分变换之窗我们看到了什么 （38） 本章小结 （38） 习题2 （39） 第3章 系统的数学模型 （41） 3.1 系统的微分方程 （42） 3.1.1 建立微分方程的基本步骤 （42） 3.1.2 机械系统的微分方程 （43） 3.1.3 电气系统的微分方程 （46） 3.1.4 系统的相似性 （48） 3.1.5 机电系统的微分方程 （49） 3.2 系统的传递函数 （52） 3.2.1 传递函数的基本概念 （53） 3.2.2 传递函数的零点、极点和放大系数 （54） 3.2.3 典型环节的传递函数 （55） 3.3 系统方框图及其简化 （67） 3.3.1 系统传递函数的方框图表示 （68） 3.3.2 传递函数方框图的简化 （72） 3.3.3 公式法化简系统方框图 （78） 3.4 信号流图与梅森增益公式 （79） 3.4.1 信号流图 （79） 3.4.2 梅森增益公式 （80） 3.5 输入和干扰同时作用下的系统传递函数 （83） 3.6 思政元素 （86） 本章小结 （86） 习题3 （87） 第4章 时间响应分析 （92） 4.1 概述 （92） 4.1.1 时间响应及其组成 （93） 4.1.2 典型试验信号 （93） 4.2 一阶系统时间响应 （95） 4.2.1 一阶系统单位脉冲响应 （95） 4.2.2 一阶系统单位阶跃响应 （96） 4.2.3 单位脉冲响应和单位阶跃响应的关系 （97） 4.3 二阶系统时间响应 （97） 4.3.1 二阶系统标准形式 （97） 4.3.2 二阶系统特征方程的根与阻尼比的关系 （98） 4.3.3 二阶系统单位脉冲响应 （99） 4.3.4 二阶系统单位阶跃响应 （101） 4.3.5 二阶系统响应的性能指标 （105） 4.4 系统稳态误差分析 （110） 4.4.1 系统误差与偏差的关系 （110） 4.4.2 系统的稳态误差 （111） 4.4.3 静态误差系数 （113） 4.5 思政元素 （116） 4.5.1 指数函数与国王下棋的故事 （116） 4.5.2 读一条曲线享豁达人生 （117） 4.5.3 科学与国学殊途同归 （117） 4.5.4 大道至简 （118） 本章小结 （118） 习题4 （119） 第5章 系统频率响应分析 （121） 5.1 频率特性概述 （121） 5.1.1 频率特性的概念 （121） 5.1.2 频率特性的特点和作用 （124） 5.2 频率特性的极坐标图（Nyquist图） （125） 5.2.1 典型环节的Nyquist图 （126） 5.2.2 Nyquist图的一般绘制方法 （130） 5.3 频率特性的对数坐标图（Bode图） （134） 5.3.1 概述 （134） 5.3.2 典型环节的Bode图 （135） 5.3.3 Bode图的一般绘制方法 （140） 5.4 闭环频率特性 （146） 5.5 最小相位系统与非最小相位系统 （147） 5.6 根据频率特性曲线估计系统传递函数 （148） 5.6.1 确定放大倍数K （148） 5.6.2 各环节传递函数的确定 （149） 5.7 思政元素 （150） 5.7.1 Bode图与分贝的由来 （150） 5.7.2 一个近似，一种智慧 （151） 本章小结 （152） 习题5 （152） 第6章 系统稳定性分析 （154） 6.1 系统稳定的概念和条件 （154） 6.1.1 系统稳定的基本概念 （154） 6.1.2 系统稳定性与特征根的关系 （155） 6.1.3 系统稳定的充分必要条件 （156） 6.2 劳斯（Routh）稳定判据 （157） 6.2.1 系统稳定的必要条件 （157） 6.2.2 系统稳定的充要条件 （158） 6.2.3 劳斯判据的特殊情况 （160） 6.3 Nyquist稳定判据 （161） 6.3.1 米哈伊洛夫定理 （161） 6.3.2 Nyquist稳定判据的证明 （163） 6.3.3 开环含有积分环节的Nyquist图 （165） 6.3.4 具有延时环节的系统稳定性分析 （167） 6.3.5 Nyquist稳定判据的应用举例 （168） 6.4 Bode稳定判据 （170） 6.5 系统的相对稳定性 （173） 6.5.1 相位裕度? （173） 6.5.2 幅值裕度Kg （174） 6.6 思政元素 （177） 6.6.1 稳定是保证一切指标的前提 （177） 6.6.2 稳定是一种状态更是一种能力 （177） 本章小结 （178） 习题6 （178） 第7章 系统校正 （180） 7.1 系统的性能指标 （181） 7.1.1 时域性能指标 （181） 7.1.2 频域性能指标 （181） 7.2 系统校正 （185） 7.2.1 校正的概念 （185） 7.2.2 校正方式 （185） 7.3 串联校正 （186） 7.3.1 增益校正 （186） 7.3.2 相位超前校正 （188） 7.3.3 相位滞后校正 （191） 7.3.4 相位滞后－超前校正 （195） 7.4 PID校正 （199） 7.4.1 PID控制规律及其实现 （199） 7.4.2 PID调节器的设计 （203） 7.5 反馈校正 （206） 本章小结 （211） 习题7 （211） 第8章 根轨迹法 （215） 8.1 根轨迹概述 （215） 8.2 绘制根轨迹的基本条件 （218） 8.2.1 绘制根轨迹的幅值条件 （218） 8.2.2 绘制根轨迹的相位条件 （219） 8.3 根轨迹的绘制 （219） 8.3.1 根轨迹的绘制准则 （219） 8.3.2 根轨迹的绘制实例 （221） 本章小结 （225） 习题8 （225） 第9章 线性离散系统 （227） 9.1 计算机控制系统概述 （227） 9.1.1 计算机控制系统的组成 （227） 9.1.2 信号的采样与采样定理 （230） 9.2 Z变换 （232） 9.2.1 Z变换的定义 （233） 9.2.2 Z变换的性质 （235） 9.2.3 Z反变换 （237） 9.3 线性离散系统的数学模型 （240） 9.3.1 线性离散系统的差分方程 （240） 9.3.2 脉冲传递函数 （242） 9.4 线性离散系统的稳定性分析 （248） 9.4.1 线性离散系统稳定的充分必要条件 （248） 9.4.2 线性离散系统的稳定性判据 （249） 9.4.3 线性离散系统的稳态误差分析 （252） 9.5 线性离散系统的校正与设计 （255） 9.5.1 对数频率特性法校正 （255） 9.5.2 有限拍设计 （258） 9.5.3 数字PID控制 （264） 本章小结 （270） 习题9 （271） 第10章 MATLAB在控制工程中的应用 （273） 10.1 MATLAB简介 （273） 10.2 用MATLAB进行瞬态响应分析 （274） 10.2.1 线性系统的MATLAB表示 （274） 10.2.2 系统单位阶跃响应的求法 （275） 10.2.3 系统单位脉冲响应的求法 （275） 10.3 用MATLAB进行频率响应分析 （276） 10.3.1 用MATLAB作Bode图 （276） 10.3.2 用MATLAB作Nyquist图 （278） 10.4 Simulink应用 （279） 10.4.1 Simulink概述 （279） 10.4.2 启动Simulink工具包 （280） 10.4.3 用Simulink创建系统模型 （281） 10.4.4 用Simulink进行系统仿真 （284） 本章小结 （285） 习题参考答案 （286） 参考文献 （298）