控制工程基础与应用

前    言

工程控制论所提供的理论和方法，在现代科学的迅猛发展中的重要性日益明显，并取得了很大发展，越来越多地成为科技工作者分析和解决问题的有效手段，也成为机械工程类专业的重要基础理论之一。本书可作为普通高等学校机械工程类专业，特别是机械设计制造及其自动化专业的本科、专科教材，也可供相关教师与工程技术人员参考。
本书力求内容翔实、体系新颖，突出基础性、实用性、综合性和先进性。在编写过程中力求体现如下思路和特点：按认知规律编排教材内容和重难点布局，注重课程内容衔接与交叉引用，注重概念及工程性；全书围绕工程设计的基本要求“快速性、稳定性、准确性”开展系统分析与校正；坚持“系统”和“动态”两个观点，将分析研究的对象抽象为系统，运用控制理论的方法，解决机械工程中的稳态和动态实际问题；贯彻“时域”和“频域”两条分析主线，分别从时频两方面对系统性能进行分析和校正；注重控制工程仿真分析，强调MATLAB/Simulink建模仿真分析及优化。本书在文字叙述上力求深入浅出、循序渐进；在内容安排上既注重基础理论的系统阐述，同时也考虑到工程技术人员的实际需要，在介绍各种控制原理和方法时尽可能具体和实用。
本书基于作者本人早期出版的机械工程控制基础相关教材改编而成，在编排体系上对内容上做了较大改动，紧跟技术发展趋势，注重工程应用。对原教材编著者刘春节、张屹、赵千惠、李郁表示感谢。
本书介绍了机械工程控制的基本理论和基本方法。全书共7章，第1章绪论，主要介绍机械工程控制的基本概念和本书结构体系与学习方法；第2章介绍控制系统的数学模型；第3章介绍控制系统的时域分析法；第4章介绍控制系统的频域分析法；第5章介绍控制系统的校正与工程设计；第6章介绍离散控制系统；第7章介绍控制技术在工程中的应用。各主要章节均贯穿了MATLAB/Simulink在控制工程中的应用。全书在各章均备有本章小结及习题，供读者参考练习。本书附录提供了全书主要符号说明和拉普拉斯（Laplace，拉氏）变换法与Z变换法，供读者参考。
本书由广东技术师范大学天河学院曾孟雄教授、周书兴老师和王如意老师共同编著，其中第1～3章和第5～6章由曾孟雄编写，第4章及附录A和B由周书兴编写，第7章及附录C由王如意编写。全书由曾孟雄整理定稿。
由于作者水平有限，书中难免存在错误和疏漏之处，恳请广大读者批评指正。

本书内容包括机械工程控制基础的基本概念、系统的数学建模、控制系统的时域分析法、控制系统的频域分析法、控制系统的设计与校正、离散控制系统初步、Matlab/Simulink在控制系统分析中的应用、机械工程控制系统案例分析等。本书可供机械工程类相关专业的本科、成人教育、函授生作为教材，也可供相关教师与工程技术人员作为参考书。

曾孟雄，1982年毕业于上海交通大学精密仪器专业，硕士，教授，机械制造及其自动化专业硕士生导师，中国机械工程学会会员，中国计量学会会员，三峡大学“151”人才学术骨干。从事机械制造及其自动化的教学与科研工作，在机电系统控制、几何量精度设计、虚拟仪器等领域或方向有所研究。

目 录 
第1章 绪论 （1） 
1.1 机械工程控制概述 （1） 
1.1.1 控制理论与机械工程控制 （1） 
1.1.2 机械工程控制论的研究对象与任务 （2） 
1.2 控制系统的分类及组成 （4） 
1.2.1 控制系统的几种分类 （4） 
1.2.2 控制系统的基本组成 （7） 
1.3 控制系统的基本要求 （9） 
1.4 控制工程的发展与应用 （10） 
1.4.1 自动控制的发展阶段 （10） 
1.4.2 控制理论在机械制造发展中的应用 （12） 
1.5 本书的结构体系 （13） 
本章小结 （13） 
习题 （14） 
第2章 控制系统的数学模型 （17） 
2.1 系统的数学模型 （17） 
2.1.1 系统的数学模型及分类 （17） 
2.1.2 列写系统数学模型的一般方法 （18） 
2.2 系统的微分方程 （18） 
2.2.1 列写微分方程的一般步骤 （19） 
2.2.2 典型系统的微分方程 （19） 
2.3 系统的传递函数 （23） 
2.3.1 传递函数的基本概念 （23） 
2.3.2 系统的特征方程、零点和极点及复域特征 （24） 
2.3.3 典型环节的传递函数 （25） 
2.3.4 系统传递函数的几个问题 （33） 
2.4 系统的传递函数方框图 （36） 
2.4.1 控制系统数学模型图形化的优点 （36） 
2.4.2 方框图的结构要素及建立 （36） 
2.4.3 传递函数方框图的等效变换 （41） 
2.4.4 复杂传递函数方框图化简与直接列写 （42） 
2.4.5 输入和干扰同时作用下的系统传递函数 （45） 
2.5 MATLAB/Simulink在控制工程中的应用 （47） 
2.5.1 MATLAB/Simulink软件简介 （47） 
2.5.2 MATLAB工具箱及操作 （47） 
2.5.3 Simulink模块库及建模 （48） 
2.5.4 数学模型的MATLAB/Simulink实现 （49） 
本章小结 （51） 
习题 （51） 
第3章 控制系统的时域分析法 （55） 
3.1 系统响应的构成和系统动态特性的时域特征 （55） 
3.1.1 时间响应及组成 （55） 
3.1.2 典型输入信号 （58） 
3.2 控制系统时域动态性能分析 （60） 
3.2.1 控制系统时域分析的基本方法及步骤 （60） 
3.2.2 一阶系统的时间响应 （61） 
3.2.3 二阶系统的时间响应 （63） 
3.2.4 控制系统的时域性能指标及计算 （67） 
3.2.5 高阶系统的时域分析 （74） 
3.3 控制系统稳定性时域分析 （77） 
3.3.1 系统稳定性的概念 （77） 
3.3.2 线性系统稳定性的充分必要条件 （78） 
3.3.3 劳斯（Routh）稳定性判据 （79） 
3.4 控制系统误差时域分析及计算 （83） 
3.4.1 系统的误差与偏差 （83） 
3.4.2 系统的稳态误差与稳态偏差 （84） 
3.4.3 系统的型次与偏差系数 （85） 
3.4.4 扰动作用下的稳态误差 （88） 
3.4.5 提高系统稳态精度的措施 （89） 
3.5 基于MATLAB/Simulink的时间响应分析 （91） 
本章小结 （94） 
习题 （94） 
第4章 控制系统的频域分析法 （99） 
4.1 概述 （99） 
4.1.1 频率特性的基本概念 （100） 
4.1.2 频率特性的获取及特点 （104） 
4.1.3 对数频率特性 （105） 
4.2 典型环节及一般系统的频率特性 （107） 
4.3 频率特性的性能指标 （117） 
4.4 Nyquist和Bode稳定判据 （119） 
4.4.1 辐角原理 （119） 
4.4.2 Nyquist稳定判据 （120） 
4.4.3 原点为开环极点时的Nyquist判据 （121） 
4.4.4 根据Bode图判断系统的稳定性 （123） 
4.5 控制系统的相对稳定性 （124） 
4.6 基于MATLAB/Simulink的频域分析 （127） 
本章小结 （130） 
习题 （130） 
第5章 控制系统校正与工程设计 （133） 
5.1 控制系统的设计与校正概述 （133） 
5.1.1 校正的概念 （133） 
5.1.2 校正的方式 （134） 
5.1.3 校正装置 （135） 
5.2 控制系统的设计指标要求 （135） 
5.2.1 控制系统时域、频域性能指标及误差准则 （135） 
5.2.2 频域性能指标与时域性能指标的关系 （138） 
5.2.3 系统设计与校正的一般原则 （142） 
5.3 串联校正 （143） 
5.3.1 相位超前校正 （143） 
5.3.2 相位滞后校正 （147） 
5.3.3 相位滞后-超前校正 （150） 
5.4 并联校正 （153） 
5.4.1 反馈校正 （153） 
5.4.2 顺馈校正 （155） 
5.5 PID校正 （155） 
5.5.1 PID控制规律 （156） 
5.5.2 PID控制器类型 （156） 
5.5.3 PID控制器设计 （160） 
5.6 基于MATLAB/Simulink的系统校正 （163） 
5.6.1 控制系统的Bode图校正 （163） 
5.6.2 控制系统的PID校正 （166） 
本章小结 （172） 
习题 （172） 
第6章 离散控制系统 （175） 
6.1 离散控制系统概述 （175） 
6.1.1 采样控制系统与数字控制系统 （175） 
6.1.2 A/D转换器与D/A转换器 （177） 
6.1.3 离散控制系统的特点 （178） 
6.2 信号采样与采样定理 （178） 
6.2.1 信号采样 （178） 
6.2.2 采样定理 （179） 
6.2.3 采样信号的保持 （181） 
6.3 离散控制系统的数学模型——差分方程 （182） 
6.3.1 线性常系数差分方程 （182） 
6.3.2 差分方程的解法 （183） 
6.4 离散控制系统的传递函数 （184） 
6.4.1 脉冲传递函数的定义与求解 （184） 
6.4.2 脉冲传递函数的建立 （185） 
6.5 离散控制系统分析 （188） 
6.5.1 离散控制系统稳定性分析 （188） 
6.5.2 离散控制系统动态性能分析 （192） 
6.5.3 离散控制系统稳态性能分析 （194） 
6.6 基于MATLAB/Simulink的离散系统分析与校正 （196） 
6.6.1 连续系统的离散化 （196） 
6.6.2 离散系统的单位阶跃响应 （197） 
6.6.3 离散系统的频域响应 （198） 
本章小结 （199） 
习题 （199） 
第7章 控制技术在工程中的应用 （201） 
7.1 控制系统职能原理框图到传递函数框图的转化 （202） 
7.2 数控交流伺服系统参数整定 （206） 
7.3 控制技术在工业机器人中的应用 （212） 
7.3.1 工业机器人控制系统的特点 （213） 
7.3.2 工业机器人控制系统的主要功能 （213） 
7.3.3 工业机器人控制系统的组成 （214） 
7.3.4 工业机器人运动控制系统 （215） 
本章小结 （217） 
附录A 主要符号说明 （218） 
附录B 拉氏变换法 （219） 
B.1 拉氏变换的定义 （219） 
B.2 典型函数的拉氏变换 （220） 
B.3 拉氏变换的主要定理 （222） 
B.4 拉氏逆变换 （224） 
附录C Z变换与Z逆变换 （228） 
C.1 Z变换的定义 （228） 
C.2 Z变换求法 （229） 
C.3 Z变换的基本定理 （231） 
C.4 Z逆变换 （232） 
参考文献 （234）

本书内容包括机械工程控制基础的基本概念、系统的数学建模、控制系统的时域分析法、控制系统的频域分析法、控制系统的设计与校正、离散控制系统初步、Matlab/Simulink在控制系统分析中的应用、机械工程控制系统案例分析等。本书可供机械工程类相关专业的本科、成人教育、函授生作为教材，也可供相关教师与工程技术人员作为参考书。

曾孟雄，1982年毕业于上海交通大学精密仪器专业，硕士，教授，机械制造及其自动化专业硕士生导师，中国机械工程学会会员，中国计量学会会员，三峡大学“151”人才学术骨干。从事机械制造及其自动化的教学与科研工作，在机电系统控制、几何量精度设计、虚拟仪器等领域或方向有所研究。