目 錄
第1章 緒論 （1）
1.1 概述 （1）
1.2 工程控制理論的研究對像和研究內容 （2）
1.3 控制繫統 （2）
1.3.1 繫統 （2）
1.3.2 反饋控制繫統 （3）
1.3.3 控制繫統分類 （5）
1.4 對控制繫統的基本要求 （9）
1.5 本課程的特點及學習方法 （10）
1.6 本章小結 （10）
1.7 習題 （10）
第2章 機械工程控制論的數學基礎 （11）
2.1 復數和復變函數 （11）
2.1.1 復數 （11）
2.1.2 復數的運算規則 （11）
2.1.3 復變函數的零點和極點 （12）
2.2 拉氏變換 （12）
2.2.1 拉氏變換的定義 （13）
2.2.2 典型時間函數的拉氏變換 （13）
2.2.3 拉氏變換的主要運算定理 （17）
2.3 拉氏逆變換 （21）
2.3.1 拉氏逆變換的定義 （21）
2.3.2 拉氏逆變換的數學方法 （21）
2.4 拉氏變換在控制工程中的應用 （24）
2.5 本章小結 （26）
2.6 習題 （27）
第3章 繫統的數學模型 （28）
3.1 繫統的時域數學模型 （28）
3.1.1 繫統微分方程 （28）
3.1.2 非線性微分方程線性化處理 （29）
3.1.3 機械繫統微分方程 （30）
3.2 繫統的復域數學模型 （36）
3.2.1 傳遞函數 （36）
3.2.2 傳遞函數的零點、極點和增益 （38）
3.2.3 典型環節的傳遞函數 （38）
3.3 繫統傳遞函數方框圖 （47）
3.3.1 方框圖 （47）
3.3.2 傳遞函數方框圖的等效變換 （48）
3.3.3 傳遞函數方框圖的簡化 （51）
3.4 梅遜公式 （56）
3.5 繫統的狀態空間模型 （56）
3.5.1 狀態變量與狀態空間表達式 （56）
3.5.2 線性繫統的狀態方程 （57）
3.5.3 傳遞函數與狀態空間表達式相互轉化 （59）
3.6 本章小結 （60）
3.7 習題 （60）
第4章 繫統的時域分析 （63）
4.1 繫統的時間響應及其組成 （63）
4.1.1 繫統的時間響應 （63）
4.1.2 非齊次二階線性微分方程的解及其解的組成 （63）
4.1.3 繫統的時間響應組成 （64）
4.2 典型輸入信號 （66）
4.3 一階繫統的時間響應 （67）
4.3.1 單位脈衝響應 （68）
4.3.2 單位階躍響應 （68）
4.3.3 單位斜坡響應 （69）
4.4 二階繫統的時間響應 （71）
4.4.1 二階繫統的傳遞函數 （72）
4.4.2 二階繫統的極點 （73）
4.4.3 二階繫統的單位脈衝響應 （74）
4.4.4 二階繫統的單位階躍響應 （76）
4.5 繫統的時域性能指標 （79）
4.5.1 繫統的時域性能指標定義 （79）
4.5.2 一階繫統的時域性能指標 （80）
4.5.3 二階繫統的時域性能指標 （81）
4.6 高階繫統的時域分析 （88）
4.6.1 典型三階繫統的單位階躍響應 （88）
4.6.2 高階繫統的單位階躍響應 （90）
4.7 繫統的誤差分析與計算 （91）
4.7.1 繫統的誤差與偏差 （92）
4.7.2 穩態誤差 （93）
4.7.3 繫統類型 （93）
4.7.4 靜態誤差繫數與穩態誤差 （94）
4.7.5 干擾作用下的穩態誤差 （97）
4.8 本章小結 （102）
4.9 習題 （102）
第5章 根軌跡法 （105）
5.1 根軌跡法概述 （105）
5.1.1 根軌跡的基本概念 （105）
5.1.2 根軌跡與繫統性能 （107）
5.1.3 閉環零、極點與開環零、極點之間的關繫 （108）
5.1.4 根軌跡方程 （110）
5.2 根軌跡繪制的基本法則 （111）
5.2.1 繪制根軌跡的基本法則 （111）
5.2.2 閉環極點的確定 （124）
5.3 廣義根軌跡 （125）
5.3.1 參數根軌跡 （125）
5.3.2 添加開環零點的作用 （128）
5.3.3 零度根軌跡 （129）
5.4 繫統性能的分析和設計 （134）
5.4.1 閉環零、極點與時間響應的關繫 （134）
5.4.2 繫統性能的定性分析 （137）
5.4.3 控制繫統的復域設計 （138）
5.5 本章小結 （143）
5.6 習題 （144）
第6章 繫統的頻率特性 （146）
6.1 頻率特性 （146）
6.1.1 頻率響應與頻率特性 （146）
6.1.2 頻率特性的求法 （148）
6.1.3 微分方程、頻率特性、傳遞函數之間的關繫 （149）
6.1.4 頻率特性的特點和作用 （150）
6.2 頻率特性的極坐標圖 （150）
6.2.1 極坐標圖 （150）
6.2.2 典型環節的Nyquist圖 （151）
6.2.3 含有積分環節繫統的Nyquist圖 （156）
6.2.4 Nyquist圖的一般形狀 （157）
6.2.5 機電繫統的Nyquist圖 （159）
6.3 頻率特性的對數坐標圖 （161）
6.3.1 對數坐標圖 （161）
6.3.2 典型環節的Bode圖 （162）
6.3.3 典型環節Bode圖的特點 （170）
6.3.4 繪制繫統的Bode圖的步驟 （170）
6.3.5 機電繫統的Bode圖 （172）
6.4 閉環頻率特性及頻域性能指標 （175）
6.4.1 閉環頻率特性 （175）
6.4.2 頻域性能指標 （175）
6.5 小相位繫統與非小相位繫統 （176）
6.5.1 小相位繫統與非小相位繫統的概念 （177）
6.5.2 產生非小相位繫統的環節 （178）
6.6 本章小結 （179）
6.7 習題 （179）
第7章 繫統的穩定性 （181）
7.1 繫統穩定性的概念及判別準則 （181）
7.1.1 穩定性的概念 （181）
7.1.2 判別繫統穩定性的基本準則 （182）
7.2 Routh穩定判據 （184）
7.2.1 繫統穩定的必要條件 （184）
7.2.2 繫統穩定的充要條件 （185）
7.3 Nyquist穩定判據 （189）
7.3.1 Nyquist穩定判據簡介 （189）
7.3.2 開環含有積分環節繫統的穩定性分析 （192）
7.3.3 具有延時環節的繫統的穩定性分析 （196）
7.4 Bode穩定判據 （201）
7.4.1 Nyquist圖與Bode圖的對應關繫 （201）
7.4.2 正負穿越的概念 （201）
7.4.3 Bode穩定判據 （202）
7.5 繫統的相對穩定性 （204）
7.5.1 相位裕度與幅值裕度 （204）
7.5.2 條件穩定繫統 （207）
7.6 本章小結 （210）
7.7 習題 （210）
第8章 繫統的性能校正 （212）
8.1 控制繫統的性能指標及性能校正 （212）
8.1.1 控制繫統的性能指標 （212）
8.1.2 性能校正的概念 （213）
8.1.3 性能校正的分類 （213）
8.2 串聯校正 （214）
8.2.1 增益調整校正 （214）
8.2.2 相位超前校正 （214）
8.2.3 相位滯後校正 （219）
8.2.4 相位滯後—超前校正 （224）
8.3 PID校正 （229）
8.3.1 PID控制規律 （229）
8.3.2 PD調節器 （230）
8.3.3 PI調節器 （232）
8.3.4 PID調節器 （233）
8.4 反饋校正和順饋校正 （235）
8.4.1 反饋校正 （235）
8.4.2 順饋校正 （237）
8.5 本章小結 （237）
8.6 習題 （238）
第9章 離散控制繫統的分析和校正 （240）
9.1 概述 （240）
9.2 信號的采樣與保持 （241）
9.2.1 信號的采樣 （241）
9.2.2 采樣定理 （243）
9.2.3 保持器 （245）
9.3 Z變換與Z逆變換 （245）
9.3.1 Z變換的定義 （245）
9.3.2 Z變換的性質 （248）
9.3.3 Z逆變換 （251）
9.4 離散控制繫統的數學模型 （254）
9.4.1 線性常繫數差分方程 （254）
9.4.2 差分方程的解 （255）
9.4.3 脈衝傳遞函數 （256）
9.5 離散控制繫統的性能分析 （265）
9.5.1 離散控制繫統的穩定性分析 （266）
9.5.2 離散控制繫統的穩態誤差分析 （271）
9.5.3 離散控制繫統的動態響應分析 （272）
9.6 離散控制繫統的校正與設計 （274）
9.6.1 數字控制器D(z)的脈衝傳遞函數 （274）
9.6.2少拍繫統的設計與校正 （275）
9.7 本章小結 （281）
9.8 習題 （281）
第10章 機械工程控制繫統的計算機仿真與輔助設計 （283）
10.1 MATLAB仿真軟件簡介 （283）
10.1.1 MATLAB繫統構成 （283）
10.1.2 MATLAB桌面操作環境 （284）
10.1.3 MATLAB程序設計 （287）
10.2 機械工程控制繫統時域特性仿真 （289）
10.2.1 橋式起重機坐標繫統 （289）
10.2.2 橋式起重機線性化模型 （290）
10.2.3 橋式起重機貨物擺動傳遞函數 （290）
10.2.4 橋式起重機貨物擺動傳遞函數頻率特性仿真 （290）
10.2.5 MATLAB源程序 （292）
10.3 機械工程控制繫統頻率特性仿真 （293）
10.3.1 橋式起重機機構運動傳遞函數 （293）
10.3.2 橋式起重機機構運動傳遞函數頻率特性仿真 （293）
10.3.3 MATLAB源程序 （294）
10.4 機械工程控制繫統根軌跡仿真 （295）
10.4.1 繪制根軌跡的相關MATLAB函數 （295）
10.4.2 電磁驅動水壓伺服機構及其線性化模型 （296）
10.4.3 電磁驅動水壓伺服機構的根軌跡仿真 （297）
10.4.4 磁盤驅動讀取繫統的根軌跡仿真 （297）
10.4.5 未來超音速噴氣式客機的根軌跡仿真 （298）
10.5 機械工程控制繫統穩定性仿真 （300）
10.5.1 集中供熱繫統的數學模型 （300）
10.5.2 典型PID控制器 （301）
10.5.3 基於Nyquist穩定判據設計PID控制器 （302）
10.5.4 集中供熱繫統的控制過程仿真 （303）
10.5.5 MATLAB源程序 （304）
10.6 機械工程控制繫統性能校正仿真 （305）
10.6.1 熱處理爐的數學模型 （305）
10.6.2 典型PID控制器 （306）
10.6.3 基於Nyquist穩定判據設計PI控制器 （306）
10.6.4 熱處理爐的控制過程仿真 （307）
10.6.5 MATLAB源程序 （308）
主要符號說明 （310）
參考文獻 （311）

前    言
本書第1版自2010年3月初發行後，承蒙多所高校有關專業采用，這使我們受到了很大的鼓舞。不少采用過這本教材的兄弟院校的教師和學生，就本書的編排結構、內容和習題等方面提出了許多寶貴意見，並且給予很好的建議。在此，我們向有關老師和同學致以由衷的感謝！
根據近十年的教學實踐和科研工作的進展情況，同時參考同類教材的經驗，並吸收國內外有關本課程教學和科研成果，我們擬對本書的結構、內容和習題進行修改，主要修改情況如下：
（1）對於書中涉及的典型信號、極點等基本概念，在高等數學教材中稱為函數和特征根，在本教材中從引入典型信號、極點等概念之後，盡量采用機械工程控制理論的專業術語，不采用函數和特征根等術語。
（2）對於書中涉及的基本概念，如瞬態性能、穩態性能、瞬態性能指標等，進行了更深入的分析和討論，例如，增加了一階繫統瞬態性能指標圖例說明。
（3）為了加深對基本概念和基本理論的理解，增加了基本概念和基本理論的問答題；刪除了雷同的習題，增加了更具有代表性的具有工程實踐意義的習題。
（4）對於第1版中出現的錯誤、表達不準確、論述不貼切等不當之處，進行了修改。
本書在第1版的基礎上由山東建築大學董明曉和青島農業大學李娟進行了修改，董明曉負責修改第1、2、3、6、7、8章和第10章的10.1、10.2、10.3、10.5、10.6節的內容；李娟負責修改第5、9章和10.4節的內容；第4章的內容由李娟負責初步的修改，董明曉又進行了進一步的修改和完善；楊紅娟和逄波參與了本書的修改工作；董明曉對全書進行了統稿。
由於作者學識有限，書中錯誤和不妥之處在所難免，殷切期望廣大讀者和同行給予批評指教。
編著者  
2019年7月