本书结合了国内外优秀教材内容以及机械控制工程实例和新理论，由浅入深地介绍了工程控制的基础理论、分析方法、设计过程以及计算机模拟程序。本书旨在培养学生利用控制论的思想和方法，分析、解决机械工程领域中出现的控制问题的能力。

本书为高等学校机械类专业自动控制工程课程而编写。全书共分11章，系统介绍了线性定常控制系统的分析方法，包括控制理论基本概念和特点、传递函数、机电控制系统的传递函数简化、系统时域和频域响应及特征参数、系统稳定性及误差，以及系统的校正设计方法。本书也介绍了离散控制系统的分析方法、非线性系统的基础知识和状态空间的基本理论。与经典的线性理论有很大的不同，非线性系统理论和状态空间理论着眼于总体系统、过程演化，更能揭示实际问题的本质。本书着重介绍它们之间不同的分析方法。

本书的特点是以机电工程中的控制问题为主导，理论与实际紧密相结合，突出了控制理论处理问题的思想和方法。采用比较的方式，介绍了实际控制问题分析实例，便于读者自学。本书可作为机械类专业自动控制课程的本科生教材，也适合于相关专业研究生及科技人员作参考书。

第1章 自动控制的基本概念 /1

1.1  引言 /1

1.2  控制系统的基本概念 /3

1.3  机电工程控制实例简介 /6

1.4  控制系统的要素与要求 /10

1.4.1 系统要素组成 /10

1.4.2 系统分类 /11

1.4.3 系统性能的基本要求 /12

习题1 /13

第2章 线性系统的数学模型 /16

2.1  系统的动态过程与模型概念 /16

2.2  控制系统时域建模方法 /17

2.3  机电控制系统的反馈特点 /22

2.4  微分方程的拉普拉斯变换与逆变换解 /23

2.5  控制系统(环节)的传递函数 /27

2.5.1 传递函数定义 /27

2.5.2 传递函数特性、框图与零极点 /28

2.5.3 典型环节的传递函数 /29

2.6  系统传递函数的框图结构 /36

2.6.1 框图基本要素 /36

2.6.2 控制系统的框图画法 /37

2.6.3 反馈回路结构 /38

习题2 /39

第3章 机电系统传递函数分析 /42

3.1  传递函数框图的等效变换和简化 /42

3.1.1 基本框图及简化 /42

3.1.2 复杂框图简化规則 /44

3.1.3 复杂框图系统的简化 /47

3.2  信号流图和梅森公式 /48

3.3  干扰与反馈控制系统 /50

3.4  典型机电控制系统的传递函数 /52

习题3 /65

第4章 系统时域响应 /68

4.1  时域响应特点与求法 /68

4.2  典型输入信号 /69

4.3  一阶系统的时域响应 /7l

4.3.1 工脉冲输入下的惯性系统响应 /72

4.3.2 其他典型输入下的惯性系统响应与比较73

4.3.3 微分、积分环节响应 /74

4.3.4 线性系统响应的微分特性 /74

4.4  二阶系统的时域响应 /75

4.4.1 传递函数极点 /75

4.4.2 单位斜坡输入下的系统响应 /75

4.4.3 其他典型输入函数下的系统响应 /77

4.4.4 二阶系统的动态特性讨论 /79

4.5  高阶系统的响应分析 /84

4.6  复杂输入函数的系统响应 /87

4.7  系统非零初值的响应 /89

4.7.1 积分变换求法 /89

4.7.2 数值解法 /90

4.8  机电系统响应的计算机分析 /9l

习题4 /96

第5章 系统频域特性分析 /100

5.1  系统频率特性概念 /100

5.1.1 频率响应 /100

5.1.2 频率特性函数 /1O1

5.1.3 频率特性与传递函数关系 /102

5.1.4 频率特性的特点与作用 /103

5.2  频率特性的求法 /103

5.2.1 由传递函数求频率特性 /104

5.2.2 根据系统的稳态响应确定频率特性 /104

5.2.3 利用实验确定频率特性 /105

5.2  闭环与开环系统频率特性关系 /105

5.3  频域特性的幅相图 /107

5.3.1 一阶环节的幅相图 /107

5.3.2 二阶环节的幅相图 /109

5.3.3 复杂系统的幅相图 /110

5.4  频域特性的对数坐标图 /114

5.4.1 对数频率特性函数 /114

5.4.2 一阶环节的对数频率特性曲线 /115

5.4.3 二阶环节的对数频率特性曲线 /118

5.4.4 一般高阶系统的对数曲线 /120

5.5  机电系统的频域特性计算机分析 /123

5.6  系统频域特性特征量 /128

5.7  最小相位系统频率特性 /130

习题5 /131

第6章 系统稳定性与误差分析 /134

6.1  系统稳定性概念与条件 /134

6.1.1 系统稳定性定义 /135

6.1.2 系统稳定性一般条件 /136

6.2  稳定性的代数判定方法 /136

6.2.1 工系统稳定性劳斯判据(充分必要条件) /137

6.2.2 劳斯判据的特殊情况 /140

6.3  稳定性的几何判定方法 /141

6.3.1 奈奎斯特稳定判据 /141

6.3.2 伯德稳定判据 /147

6.4  系统的相对稳定性 /150

6.5  延时系统的稳定性 /152

6.6  系统误差分析 /156

6.6.1 误差概念 /156

6.6.2 系统误差传递函数 /157

6.6.3 系统稳态误差计算 /158

6.6.4 动态误差系数 /161

习题6 /162

第7章 控制系统设计与校正 /165

7.1  机电控制系统设计初步 /165

7.2  PID控制调节器 /167

7.2.1 PID控制模型 /167

7.2.2 PID组合环节的实现与其控制规律 /168

7.3  系统性能指标与校正概念 /173

7.4  串联校正 /176

7.4.1 相位超前(正相位)校正 /176

7.4.2 相位滞后(负相位)校正 /179

7.4.3 相位滞后—超前校正 /182

7.4.4 PID调节器最佳参数设计 /184

7.4.5 确定PID调节器参数的其他方法 /187

7.5  反馈校正 /189

7.5.1 位置反馈校正 /190

7.5.2 速度反馈校正 /191

7.5.3 反馈校正对系统参数变化的作用 /193

7.6  并联(顺馈)校正 /193

习题7 /196

第8章 线性离散控制系统 /199

8.1  模拟信号与数字信号转换 /199

8.1.1 A/D转换 /200

8.1.2 D／A转换 /200

8.2  信号采样理论 /201

8.2.1 采样周期与频率 /201

8.2.2 采样过程 /20l

8.2.3 采样定理 /203

8.2.4 信号保持 /204

8.3  离散变量的Z变换 /204

8.3.1 Z变换定义 /205

8.3.2 Z变换性质与定理 /206

8.3.3 Z变换求法 /208

8.3.4 Z逆变换 /210

8.4  线性离散系统的分析方法 /212

8.4.1 离散系统的差分模型 /212

8.4.2 差分方程的Z变换解法 /213

8.4.3 脉冲传递函数及求法 /213

8.4.4 脉冲传递函数系统简化分析 /215

8.4.5 离散系统的响应 /218

8.5  离散系统的误差分析 /219

8.6  离散系统的稳定性分析 /221

8.6.1 Z平面与s平面的映射关系 /221

8.6.2 线性离散系统稳定的充要条件 /222

8.6.3 线性离散系统稳定判据 /223

8.7  离散系统的校正 /225

8.7.1 数字控制器Gn(z) /225

8.7.2 离散校正环节的近似设计 /226

8.7.3 最少拍系统设计与校正方法 /229

8.7.4 数字PID控制器 /230

习题8 /233

第9章 非线性控制系统基础 /237

9.1  非线性控制系统的特征 /237

9.1.1 非线性系统元件参数特征 /237

9.1.2 非线性系统数学模型特征 /237

9.1.3 非线性系统的输出特征 /238

9.1.4 典型非线性环节 /239

9.1.5 非线性系统常用的分析方法 /241

9.2  描述函数法 /242

9.2.1 描述函数定义 /242

9.2.2 常见非线性系统的描述函数 /243

9.2.3 系统稳定性的描述函数分析 /249

9.3  相平面分析法 /254

9.3.1 控制系统的相平面方程 /254

9.3.2 相轨迹图形 /256

9.3.3 相平面轨迹特点 /258

9.3.4 相平面轨迹应用 /26工

9.4  非线性系统实例分析 /262

9.5  非线性系统的数值仿真 /267

习题9 /270

第10章 状态空间理论初步 /274

10.1  系统状态变量与状态方程概念 /274

10.2  系统状态方程的建立方法 /276

10.2.1 由系统微分方程建立状态方程 /276

10.2.2 由线性系统的传递函数建立状态方程 /278

1O.2.3 利用系统的环节框图建立状态方程 /279

10.2.4 非线性系统状态方程 /281

10.3  系统状态方程的求解 /283

10.3.1 线性定常系统状态方程的解 /283

10.3.2 线性时变系统状态方程的解 /288

10.4  离散系统的状态方程 /291

lO.4.1 离散系统状态方程 /291

10.4.2 离散系统状态方程 /293

10.4.3 离散系统状态方程求解 /294

10.4.4 离散系统状态方程数值解 /298

10.5  系统状态特性 /299

10.5.1 能控性的定义和判别 /299

10.5.2 能观性的定义和判别 /300

10.5.3 稳定性判别 /301

习题10 /301

第11章 机电控制系统实验与计算机仿真 /304

11.1  典型机电控制系统组成 /304

11.1.1 控制系统动力与执行机构 /304

11.1.2 控制信号的综合、转换与放大器 /308

11.2  输入信号的实验方法 /311

11.3  机电控制系统的传递函数实验 /312

11.4  典型机电伺服系统的时域实验 /314

11.5  典型机电系统的频率实验 /316

11.6  控制系统的计算机仿真实验 /317

11.7  控制系统的计算机仿真程序 /324

附录A  典型函数的拉普拉斯变换和Z变换 /334

附录B  习题参考答案 /338