現(xiàn)代科技的發(fā)展使網(wǎng)絡(luò)得到了極大的普及和完善，百年形成的近乎完美的采用紙質(zhì)教材進(jìn)行純課堂教學(xué)模式受到挑戰(zhàn)。同時(shí)由于新型冠狀病毒疫情的長期性、復(fù)雜性，線上線下混合式教學(xué)模式應(yīng)運(yùn)而生，成為一種新的教學(xué)模式。該教材的第5版正是為了適應(yīng)線上線下混合式教學(xué)模式編寫的。該教材是采用紙質(zhì)教材和數(shù)字化資源結(jié)合的新形態(tài)教材，既能保持紙質(zhì)教材的結(jié)構(gòu)邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，又能發(fā)揮數(shù)字化資源的豐富直觀。
該教材是在董景新、趙長德、郭美鳳、陳志勇、劉云峰、李冬梅編著的獲評(píng)全國首屆教材建設(shè)獎(jiǎng)優(yōu)秀教材二等獎(jiǎng)的《控制工程基礎(chǔ)（第4版）》的基礎(chǔ)上編寫的。《控制工程基礎(chǔ)（第4版）》自2015年1月正式面世已7年多。自第1、2、3、4版教材相繼出版以來，隨著控制工程基礎(chǔ)課程在全國各高等院校的機(jī)械類、儀器類等非控制專業(yè)逐漸普遍開設(shè)，以及本教材聲譽(yù)的不斷提升，對(duì)教材的需求量也穩(wěn)步增加。自出版以來根據(jù)需求該教材多次重新印刷，第1版11年時(shí)間累計(jì)印刷11次，印數(shù)達(dá)53000冊；第2版5年多時(shí)間累計(jì)印刷10次，印數(shù)達(dá)60000冊；第3版不到6年時(shí)間累計(jì)13次印刷，印數(shù)達(dá)64500冊；第4版截至2021年已印刷17次，印數(shù)達(dá)74000冊；截至2021年該教材總印數(shù)已達(dá)25.15萬冊。
控制工程基礎(chǔ)課程相繼被評(píng)為清華大學(xué)、北京市和精品課程，精品資源共享課； 清華大學(xué)等院校將本課程確定為機(jī)械學(xué)院平臺(tái)課。除本校使用該教材外，另有約100所兄弟院校的儀器儀表類和機(jī)械類專業(yè)將該教材選為教學(xué)教材和研究生入學(xué)考試參考書。隨著需求量的增加，我們深感責(zé)任的加重，也促使我們對(duì)于教材的編寫精益求精、與時(shí)俱進(jìn)，于是結(jié)合教學(xué)模式的變化進(jìn)一步編寫了第5版教材。
第5版教材主要是融入了由加拿大Quanser公司開發(fā)的Controls數(shù)字化動(dòng)畫素材(用手機(jī)掃分布在紙質(zhì)教材有關(guān)章節(jié)內(nèi)容處的二維碼即可觀看)。與此同時(shí)各章相關(guān)內(nèi)容也做了或多或少的補(bǔ)充和修改，以更好地做到紙質(zhì)教材和數(shù)字化資源相互配合達(dá)到更好的教學(xué)和自學(xué)效果。
另外，根據(jù)實(shí)際工程和科研的基本需求和多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在各章節(jié)內(nèi)容論述上繼續(xù)力求概念表達(dá)清楚準(zhǔn)確，加強(qiáng)對(duì)問題的歸納說明，同時(shí)對(duì)由于技術(shù)發(fā)展現(xiàn)在已較少應(yīng)用的上一版M圓、N圓、尼科爾斯圖等內(nèi)容予以刪除，也適當(dāng)增加了工程實(shí)用的一些內(nèi)容。
全書由董景新教授整理統(tǒng)編。
該教材廣泛參考了國內(nèi)外同類教材和其他有關(guān)文獻(xiàn),保持并突出以下特點(diǎn):
(1) 突出機(jī)械運(yùn)動(dòng)作為主要受控對(duì)象，并對(duì)其數(shù)學(xué)模型和分析綜合內(nèi)容重點(diǎn)介紹;
(2) 對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)原理基本內(nèi)容表達(dá)清楚,著重于基本概念的建立和解決機(jī)電控制問題的基本方法的闡明,并簡化或略去與機(jī)電工程距離較遠(yuǎn)、較艱深的嚴(yán)格數(shù)學(xué)推導(dǎo)內(nèi)容;
(3) 引入和編寫較多的例題及習(xí)題,便于自學(xué);
(4) 反映機(jī)電一體化新技術(shù)和新分析方法。
對(duì)于屬于該書領(lǐng)域的非基本內(nèi)容，但在本領(lǐng)域文獻(xiàn)中時(shí)有出現(xiàn)的較為繁難的部分，該教材中也作了一定簡要介紹，其有關(guān)章節(jié)前注以*號(hào)。
在教材的編寫中，得到加拿大Quanser公司中國區(qū)經(jīng)理王薇女士的熱情支持和幫助，特此致謝！
編者
2022年9月
二維碼使用指南
1概論
1.1控制理論在工程中的應(yīng)用和發(fā)展
1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念
1.2.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理
1.2.2開環(huán)控制與閉環(huán)控制
1.2.3反饋控制系統(tǒng)的基本組成
1.2.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型
1.2.5對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求
1.3控制理論在機(jī)械制造工業(yè)中的應(yīng)用
1.4課程主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排
例題及習(xí)題
2控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型
2.1微分方程表示的基本環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型
2.1.1質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)
2.1.2電路網(wǎng)絡(luò)
2.1.3電動(dòng)機(jī)
2.2數(shù)學(xué)模型的線性化
2.3拉普拉斯變換及反變換
2.3.1拉普拉斯變換的定義
2.3.2簡單函數(shù)的拉普拉斯變換
2.3.3拉普拉斯變換的性質(zhì)
2.3.4拉普拉斯反變換
2.3.5借助拉普拉斯變換解常系數(shù)線性微分方程
2.4傳遞函數(shù)以及典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)
2.4.1比例環(huán)節(jié)
2.4.2一階慣性環(huán)節(jié)
2.4.3微分環(huán)節(jié)
2.4.4積分環(huán)節(jié)
2.4.5二階振蕩環(huán)節(jié)
2.5系統(tǒng)函數(shù)方塊圖及其簡化
2.6系統(tǒng)信號(hào)流圖及梅森公式
2.7受控機(jī)械對(duì)象數(shù)學(xué)模型
2.8繪制實(shí)際物理系統(tǒng)的函數(shù)方塊圖
2.9控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的MATLAB實(shí)現(xiàn)
2.9.1控制系統(tǒng)在MATLAB中的描述
2.9.2計(jì)算閉環(huán)傳遞函數(shù)
2.9.3應(yīng)用舉例
*2.10狀態(tài)空間方程的基本概念
例題及習(xí)題
3時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)分析
3.1時(shí)域響應(yīng)以及典型輸入信號(hào)
3.1.1階躍函數(shù)
3.1.2斜坡函數(shù)
3.1.3加速度函數(shù)
3.1.4脈沖函數(shù)
3.1.5正弦函數(shù)
3.2一階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)
3.2.1一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
3.2.2一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)
3.2.3一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)
3.3二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)
3.3.1二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
3.3.2二階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)
3.3.3二階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)
3.4時(shí)域分析性能指標(biāo)
3.5高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)
3.6借助MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)分析
3.6.1基于Toolbox工具箱的時(shí)域分析
3.6.2系統(tǒng)框圖輸入與仿真工具Simulink
3.7時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法
例題及習(xí)題
4控制系統(tǒng)的頻率特性
4.1機(jī)電系統(tǒng)頻率特性的概念及其基本實(shí)驗(yàn)方法
4.1.1頻率特性概述
4.1.2頻率特性的實(shí)驗(yàn)求取
4.2極坐標(biāo)圖
4.2.1典型環(huán)節(jié)的奈氏圖
4.2.2奈氏圖的一般作圖方法
4.3對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖
4.3.1典型環(huán)節(jié)的伯德圖
4.3.2一般系統(tǒng)伯德圖的作圖方法
4.3.3小相位系統(tǒng)
4.4由頻率特性曲線求系統(tǒng)傳遞函數(shù)
4.5由單位脈沖響應(yīng)求系統(tǒng)的頻率特性
4.6控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻響
4.6.1由開環(huán)頻率特性估計(jì)閉環(huán)頻率特性
4.6.2系統(tǒng)頻域指標(biāo)
4.7機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)剛度的概念
4.8借助MATLAB進(jìn)行控制系統(tǒng)的頻域響應(yīng)分析
4.8.1頻率響應(yīng)的計(jì)算方法
4.8.2頻率響應(yīng)曲線的繪制
例題及習(xí)題
5控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
5.1系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念
5.2系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件
5.3代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)
5.3.1勞斯穩(wěn)定性判據(jù)
5.3.2赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)
5.4奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)
5.4.1映射定理
5.4.2奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)
5.4.3奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)應(yīng)用于小相位系統(tǒng)
5.5應(yīng)用奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)分析延時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性
5.5.1延時(shí)環(huán)節(jié)串聯(lián)在閉環(huán)系統(tǒng)的前向通道中時(shí)的系統(tǒng)穩(wěn)定性
5.5.2延時(shí)環(huán)節(jié)并聯(lián)在閉環(huán)系統(tǒng)前向通道中時(shí)的系統(tǒng)穩(wěn)定性
5.6由伯德圖判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性
5.7控制系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性
5.7.1采用勞斯判據(jù)看系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性
5.7.2采用奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)看系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性及其相對(duì)穩(wěn)定性指標(biāo)
5.8借助MATLAB分析系統(tǒng)穩(wěn)定性
例題及習(xí)題
6控制系統(tǒng)的誤差分析和計(jì)算
6.1穩(wěn)態(tài)誤差的基本概念
6.2輸入引起的穩(wěn)態(tài)誤差
6.2.1誤差傳遞函數(shù)與穩(wěn)態(tài)誤差
6.2.2靜態(tài)誤差系數(shù)
6.3干擾引起的穩(wěn)態(tài)誤差
6.4減小系統(tǒng)誤差的途徑
6.5動(dòng)態(tài)誤差系數(shù)
例題及習(xí)題
7控制系統(tǒng)的綜合與校正
7.1系統(tǒng)的性能指標(biāo)
7.1.1時(shí)域性能指標(biāo)
7.1.2開環(huán)頻域指標(biāo)
7.1.3閉環(huán)頻域指標(biāo)
7.1.4綜合性能指標(biāo)（誤差準(zhǔn)則）
7.2系統(tǒng)的校正概述
7.3串聯(lián)校正
7.3.1超前校正
7.3.2滯后校正
7.3.3滯后超前校正
7.3.4PID調(diào)節(jié)器
7.4反饋校正
7.4.1利用反饋校正改變局部結(jié)構(gòu)和參數(shù)
7.4.2速度反饋和加速度反饋
7.5用頻率法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合與校正
7.5.1典型系統(tǒng)的希望對(duì)數(shù)頻率特性
7.5.2希望對(duì)數(shù)頻率特性與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系
7.5.3用希望對(duì)數(shù)頻率特性進(jìn)行校正裝置的設(shè)計(jì)
7.6典型控制系統(tǒng)舉例
7.6.1直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)
7.6.2電壓位置隨動(dòng)系統(tǒng)
7.7確定控制方式及參數(shù)的其他方法
7.7.1任意極點(diǎn)配置法
7.7.2高階系統(tǒng)累試法
7.7.3試探法
7.7.4齊格勒尼科爾斯法
7.8MATLAB在系統(tǒng)綜合校正中的應(yīng)用
7.8.1MATLAB函數(shù)在系統(tǒng)校正中的應(yīng)用
7.8.2Simulink在系統(tǒng)綜合校正中的應(yīng)用
例題及習(xí)題
8根軌跡法
8.1根軌跡與根軌跡方程
8.1.1根軌跡
8.1.2根軌跡方程及相角、幅值條件
8.2繪制根軌跡的基本法則
8.3其他參數(shù)根軌跡圖的繪制
8.4根軌跡圖繪制舉例
8.5系統(tǒng)閉環(huán)零點(diǎn)、極點(diǎn)的分布與性能指標(biāo)
8.5.1閉環(huán)零極點(diǎn)分布與階躍響應(yīng)的定性關(guān)系
8.5.2利用主導(dǎo)極點(diǎn)估算系統(tǒng)性能指標(biāo)
8.6借助MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)根軌跡分析
8.6.1根軌跡的相關(guān)函數(shù)
8.6.2利用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)根軌跡分析
例題及習(xí)題
9計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
9.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述
9.1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成
9.1.2計(jì)算機(jī)內(nèi)信號(hào)的處理和傳遞過程
9.1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)理論
9.2線性離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
9.2.1線性常系數(shù)差分方程
9.2.2Z變換
9.2.3脈沖傳遞函數(shù)
*9.2.4離散狀態(tài)空間模型
9.3線性離散系統(tǒng)的性能分析
9.3.1線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
9.3.2線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析
9.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的模擬化設(shè)計(jì)方法
9.4.1數(shù)字校正環(huán)節(jié)的近似設(shè)計(jì)方法
9.4.2數(shù)字PID控制器
9.5MATLAB在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
9.5.1Z變換和Z反變換
9.5.2連續(xù)系統(tǒng)的離散化方法
9.5.3利用Toolbox工具箱分析離散系統(tǒng)
9.5.4利用Simulink分析離散系統(tǒng)
例題及習(xí)題
*10控制系統(tǒng)的非線性問題
10.1概述
10.1.1典型的非線性類型
10.1.2分析非線性系統(tǒng)的方法
10.2描述函數(shù)法
10.2.1定義
10.2.2飽和放大器
10.2.3兩位置繼電特性
10.2.4死區(qū)
10.2.5三位置繼電特性
10.2.6間隙
10.2.7利用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性
10.3相軌跡法
10.3.1相軌跡的作圖法
10.3.2奇點(diǎn)
10.3.3從相軌跡求時(shí)間信息
10.3.4非線性系統(tǒng)的相平面分析
10.4李雅普諾夫穩(wěn)定性方法
10.5借助MATLAB分析系統(tǒng)非線性
10.5.1非線性系統(tǒng)的時(shí)域及頻域特性的MATLAB實(shí)現(xiàn)
10.5.2非線性系統(tǒng)的相平面圖
例題及習(xí)題
11基于LabVIEW的控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真演示軟件
11.1LabVIEW介紹
11.2借助LabVIEW建立和分析控制系統(tǒng)
11.2.1在LabVIEW中創(chuàng)建一個(gè)虛擬儀器（VI）
11.2.2系統(tǒng)參數(shù)輸入
11.2.3系統(tǒng)模型建立、分析及仿真
11.2.4系統(tǒng)結(jié)果輸出
11.3借助LabVIEW分析控制系統(tǒng)的時(shí)域特性
11.3.1系統(tǒng)傳遞函數(shù)輸入
11.3.2時(shí)域特性分析
11.4借助LabVIEW分析控制系統(tǒng)的頻率特性
11.4.1系統(tǒng)傳遞函數(shù)輸入
11.4.2系統(tǒng)頻域特性分析
11.4.3開環(huán)系統(tǒng)伯德圖繪制
11.4.4閉環(huán)系統(tǒng)的頻率特性
11.5借助LabVIEW分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性
11.6借助LabVIEW分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差
11.7LabVIEW在系統(tǒng)綜合校正中的應(yīng)用
11.8借助LabVIEW進(jìn)行系統(tǒng)根軌跡分析
附錄A拉普拉斯變換表
附錄B高階模型頻比的證明
部分習(xí)題參考答案
參考文獻(xiàn)
書單推薦
