機械工程控制基礎（第三版）

成書過程

修訂情況

該書是在柳洪義等編著的《機械工程控制基礎（第二版）》的基礎上修訂而成。該次修訂主要在第二版基礎上加入了知識單元視頻資源，對原書中部分內容的詳略作了調整，對一些概念進行了進一步地規範和統一。此外，在1~8章每章章後增加了習題。書中的數位化教學資源參考了相關院校的同類教材、論文和課件；聞邦椿院士在該書修訂過程中給予了指導和支持，柳洪義教授為該書的修訂奠定了基礎。

該書第1、8章和習題由羅忠負責修訂，第2、5章由郝麗娜、宋偉剛和程紅太負責修訂，第3、6章由胡明和王菲負責修訂，第4、7章由房立金負責修訂。知識點視頻分別由羅忠、郝麗娜、王菲、房立金、胡明、馬樹軍和程紅太講授。全書由羅忠統稿。

出版工作

2018年1月1日，《機械工程控制基礎（第三版）》由科學出版社出版發行。

出版工作人員及單位

責任編輯	責任校對	責任印製	封面設計
朱曉穎、毛瑩	郭瑞芝	霍兵	迷底書裝

內容簡介

該書共11章，其中：第1~8章為經典控制理論部分，主要介紹了自動控制的基本概念、控制系統在時域和頻域中數學模型的建立，分析了單輸入單輸出、線性、時不變系統的穩定性和穩態誤差，闡述了線性控制系統的時域分析法、頻域分析法、根軌跡法及設計校正方法，每章均有工程實例分析；第9章為離散控制系統部分；第10章為現代控制理論基礎部分；第11章為智慧型控制理論基礎部分。

教材目錄

第1章緒論 1

1.1 機械工程的發展與控制理論的套用 1

1.2 機械工程自動控制系統的基本結構及工作原理 2

1.2.1 機械裝置產生的自動控制作用 2

1.2.2 工作檯位置自動控制系統 3

1.2.3 工作檯速度自動控制系統 8

1.2.4 機械自動控制系統的基本結構和基本變數 9

1.3 機械自動控制系統的分類 10

1.4 對自動控制系統的基本要求 11

習題 12

第2章控制系統的數學模型 17

2.1 系統微分方程的建立 17

2.2 非線性數學模型的線性化 20

2.3 拉普拉斯變換 22

2.3.1 複數和複變函數 22

2.3.2 拉普拉斯變換 23

2.3.3 典型時間函式的拉普拉斯變換 23

2.3.4 拉普拉斯變換的基本性質 25

2.3.5 拉普拉斯反變換 28

2.4 傳遞函式 30

2.4.1 傳遞函式的定義 30

2.4.2 典型環節的傳遞函式 31

2.5 系統方框圖和信號流圖 35

2.5.1 系統方框圖的組成 35

2.5.2 環節的基本連線方式 35

2.5.3 方框圖的變換與簡化 37

2.5.4 系統的信號流圖及梅森公式 39

2.6 工作檯位置自動控制系統的數學模型 43

習題46

第3章控制系統的時域分析法 52

3.1 典型輸入信號 52

3.2 一階系統的時間回響 53

3.2.1 一階系統的單位脈衝回響 54

3.2.2 一階系統的單位階躍回響 54

3.2.3 一階系統的單位斜坡回響 55

3.3 二階系統的時間回響 55

3.3.1 二階系統的單位脈衝回響 56

3.3.2 二階系統的單位階躍回響 57

3.3.3 二階系統的單位斜坡回響 58

3.3.4 二階系統時間回響的性能指標 59

3.3.5 二階系統計算舉例 61

3.4 高階系統的時間回響分析 62

3.5 工作檯位置自動控制系統的時域分析 64

習題66

第4章控制系統的頻域分析法 69

4.1 頻率特性概述 69

4.1.1 頻率特性的基本概念 69

4.1.2 頻率特性的求法 70

4.1.3 頻率特性的特點和作用 72

4.2 典型環節頻率特性的奈奎斯特圖 73

4.2.1 奈奎斯特圖的概念 73

4.2.2 典型環節的奈奎斯特圖 73

4.3 系統奈奎斯特圖的畫法 78

4.4 典型環節頻率特性的伯德圖 80

4.4.1 伯德圖的概念 80

4.4.2 典型環節的伯德圖 81

4.4.3 繪製系統伯德圖的步驟 87

4.5 頻域性能指標 88

4.6 最小相位系統和非最小相位系統 89

4.7 工作檯位置自動控制系統的頻域分析 90

習題92

第5章控制系統的穩定性 95

5.1 系統穩定性的基本概念及穩定條件 95

5.2 代數穩定性判據 96

5.2.1 赫爾維茨判據 96

5.2.2 勞斯判據 98

5.3 幾何穩定性判據 103

5.3.1 幅角原理 103

5.3.2 奈奎斯特穩定性判據 104

5.3.3 含有積分環節和延時環節系統的穩定性分析 106

5.3.4 根據伯德圖判斷系統的穩定性 108

5.4 系統的相對穩定性 111

5.5 工作檯位置自動控制系統的穩定性分析 113

習題114

第6章控制系統的根軌跡分析法 117

6.1 根軌跡與系統特性 117

6.2 根軌跡的幅值條件和相角條件 118

6.3 繪製根軌跡的基本規則 119

6.4 套用MATLAB繪製根軌跡 125

6.4.1 MATLAB基礎 125

6.4.2 套用MATLAB繪製根軌跡 126

6.5 工作檯位置自動控制系統的根軌跡分析 131

習題132

第7章控制系統的誤差分析和計算 134

7.1 系統穩態誤差的基本概念 134

7.1.1 偏差和誤差 134

7.1.2 穩態誤差 135

7.2 系統穩態誤差的計算 135

7.2.1 系統的類型 135

7.2.2 系統的誤差傳遞函式 136

7.2.3 靜態誤差係數 137

7.2.4 用伯德圖確定誤差係數 141

7.2.5 擾動引起的誤差 142

7.3 減小穩態誤差的途徑 144

7.4 動態誤差係數 146

7.5 工作檯位置自動控制系統的誤差分析 147

習題147

第8章控制系統性能校正 151

8.1 概述 151

8.2 系統的性能指標 152

8.3 系統閉環零點、極點的分布與系統性能的關係 153

8.3.1 系統單位階躍輸入回響 153

8.3.2 閉環零點、極點的分布與系統性能的關係 154

8.3.3 利用主導極點估計系統性能指標 154

8.4 並聯校正 156

8.4.1 反饋校正 156

8.4.2 順饋校正 157

8.5 串聯校正 157

8.5.1 伯德定理簡介及套用 158

8.5.2 相位超前校正 158

8.5.3 相位滯後校正 162

8.5.4 相位滯後超前校正 164

8.6 控制器類型 166

8.6.1 比例控制器（P） 167

8.6.2 比例積分控制器（PI） 167

8.6.3 比例微分控制器（PD） 167

8.6.4 比例積分微分控制器（PID） 168

8.6.5 有源相位超前控制器 170

8.6.6 有源相位滯後控制器 170

8.6.7 有源相位滯後超前控制器 171

8.7 按希望特性設計控制器 171

8.7.1 典型Ⅰ型系統（二階希望特性系統） 171

8.7.2 典型Ⅱ型系統（三階希望特性系統） 174

8.7.3 按希望特性設計控制器的圖解法 176

8.7.4 按希望特性設計控制器的直接法 178

8.8 工作檯位置自動控制系統的設計 180

習題181

第9章離散控制系統 186

9.1 離散控制系統概述 186

9.1.1 計算機控制系統的硬體結構 186

9.1.2 模/數轉換（A/D） 187

9.1.3 數/模轉換（D/A） 187

9.2 Z變換和Z反變換 188

9.2.1 Z變換的定義 188

9.2.2 Z變換的性質 190

9.2.3 Z反變換 190

9.3 離散系統的傳遞函式 191

9.3.1 離散傳遞函式的求法 192

9.3.2 開環系統的脈衝傳遞函式 193

9.3.3 閉環系統的脈衝傳遞函式 194

9.4 離散系統的z域分析 194

9.4.1 離散系統的穩定性分析 194

9.4.2 極點分布與瞬態回響的關係 196

9.4.3 離散系統的穩態誤差 197

9.5 離散系統的校正與設計 198

9.5.1 模擬化設計法 198

9.5.2 離散設計法 199

9.5. 3PID數字控制器 200

習題202

第10章現代控制理論基礎 204

10.1 系統狀態空間表達式的建立 204

10.2 系統的傳遞矩陣 207

10.3 線性定常系統狀態方程的解法 208

10.4 線性系統的可控性與可觀測性 211

10.4.1 線性系統的可控性 211

10.4.2 線性系統的可觀測性 213

10.5 系統的狀態反饋與輸出反饋 214

10.6 系統極點的配置 215

10.7 離散系統的狀態空間表達式 216

10.7.1 離散系統狀態空間表達式的建立 216

10.7.2 離散系統的傳遞矩陣 219

10.8 離散狀態方程的解 219

10.9 離散系統的穩定性分析 221

10.10 離散系統的可控性與可觀測性 221

習題223

第11章智慧型控制理論基礎 225

11.1 智慧型控制的結構理論 225

11.2 學習控制系統 225

11.2.1 學習控制的發展 226

11.2.2 學習控制的基本原理 226

11.2.3 學習控制的套用舉例 228

11.3 模糊控制系統 230

11.3.1 模糊控制的理論基礎 230

11.3.2 模糊控制的基本原理 231

11.3.3 模糊控制的套用舉例 234

11.4 專家控制系統 239

11.4.1 專家控制系統的結構 239

11.4.2 專家系統的類型 240

11.4.3 專家控制系統的套用舉例 240

11.5 人工神經網路控制系統 243

11.5.1 人工神經元模型 243

11.5.2 人工神經網路的構成 244

11.5.3 人工神經網路的學習算法 245

11.5.4 人工神經網路的套用舉例 247

11.6 仿人智慧型控制 249

11.6.1 仿人智慧型控制的基本思想 249

11.6.2 仿人智慧型控制的原型算法

11.6.3 仿人智慧型控制器設計的基本步驟 250

習題251

參考文獻 252

（註：目錄排版順序為從左列至右列）

教學資源

配套教材

《機械工程控制基礎（第三版）》有配套用書——《機械工程控制基礎學習輔導與習題解答（第二版）》。

書名	作者	出版社	出版時間	ISBN
《機械工程控制基礎學習輔導與習題解答（第二版）》	羅忠、王菲、馬樹軍、程紅太	科學出版社	2017年6月1日	9787030534484

課程資源

《機械工程控制基礎（第三版）》配有慕課——“機械工程控制基礎”。

課程名稱	建設院校	授課平台
機械工程控制基礎	東北大學	中國大學MOOC

教材特色

該書採取了理論與實際相互結合的方法，首先給出具有代表性的自動控制系統的實例，提出在設計自動控制系統時要解決的關鍵問題，使系統工作穩定，快速和精確；然後給出解決這些關鍵問題的途徑，即學習相關的自動控制理論；最後套用這些理論分析典型系統，讓讀者短時間內看到所學理論的用處，同時也幫助讀者更深入地理解所學的理論。

作者簡介

羅忠，男，工學博士，東北大學機械工程與自動化學院長聘教授，博士生導師，機械工程與自動化學院副院長。