控制工程基础（第5版）

首届全国优秀教材（高等教育类）二等奖。“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材

该教材是在董景新等编著的《控制工程基础》第4版的基础上，适应线上线下混合式教学编写。教材第5版采用纸质教材和数字化资源结合的新式教材，这种教材既能保持纸质教材的结构逻辑严谨，又能发挥数字化资源的丰富直观。教材主要面向机械类、仪器类及其他非控制专业本科生。主要内容包括：控制系统的动态数学模型、时域瞬态响应分析、控制系统的频率特性、控制系统的稳定性分析、控制系统的误差分析和计算、控制系统的综合与校正、根轨迹法、计算机控制系统、控制系统的非线性问题、MATLAB软件工具在控制系统分析和综合中的应用、LabVIEW工具在控制系统分析和综合中的应用。该教材突出机械运动作为主要控制对象，并对其数学模型和分析综合重点做了介绍；着重基本概念的建立和解决机电控制问题的基本方法的阐明, 并简化或略去与机电工程距离较远较艰深的严格数学推导内容；引入和编写了较多的例题习题, 便于自学；该教材融入了有关的机电一体化新技术和新分析方法，可供相关领域的科技人员参考。同时，为了配合该教材的使用，还编写了《控制工程基础实验指导》和《控制工程基础习题解》以供选用。

董景新,清华大学教授，博士生导师。1981年清华大学研究生毕业。主要从事导航与控制方面的教学和研究工作。兼任中国惯性技术学会监事长、中国航空学会导航控制分会委员、《中国惯性技术学报》编委会副主任委员等。作为课题负责人承担了 “十五”、“十一五”、“十二五”预研项目4项，863项目1项，预研基金项目2项，以及多项开发项目。曾获省部级科研和教学成果一等奖各1项，省部级科研成果三等奖3项，授权发明专利5项。相关教学成果如下：（1）1982年-2014年，作为国家精品课程“控制工程基础”负责人主讲 “控制工程基础”本科生专业基础课程，学生包括清华大学精密仪器系、机械系、汽车系、热能系等。“控制工程基础”课程，获2004年北京市精品课称号。（2）1998年-2014年，作为主讲教师讲授“现代控制理论与方法概论”研究生专业基础课程，学生包括清华大学精密仪器系、机械系、汽车系等。（3）2001年-2014年，负责“控制工程基础”精品课建设项目。（4）负责课程实验室第一期（2001-2003年）、第二期（2004-2010年）建设，完成清华大学985测控教学实验基地“机电控制工程基础”子课题。（5）主编 “控制工程基础”教材（第1、2、3、4版）。

1概论

1.1控制理论在工程中的应用和发展
1.2自动控制系统的基本概念
1.2.1自动控制系统的工作原理
1.2.2开环控制与闭环控制
1.2.3反馈控制系统的基本组成
1.2.4自动控制系统的基本类型
1.2.5对控制系统的基本要求
1.3控制理论在机械制造工业中的应用
1.4课程主要内容及学时安排
例题及习题

2控制系统的动态数学模型

2.1微分方程表示的基本环节数学模型
2.1.1质量弹簧阻尼系统
2.1.2电路网络
2.1.3电动机
2.2数学模型的线性化
2.3拉普拉斯变换及反变换
2.3.1拉普拉斯变换的定义
2.3.2简单函数的拉普拉斯变换
2.3.3拉普拉斯变换的性质
2.3.4拉普拉斯反变换
2.3.5借助拉普拉斯变换解常系数线性微分方程
2.4传递函数以及典型环节的传递函数
2.4.1比例环节
2.4.2一阶惯性环节
2.4.3微分环节
2.4.4积分环节
2.4.5二阶振荡环节
2.5系统函数方块图及其简化
2.6系统信号流图及梅森公式
2.7受控机械对象数学模型
2.8绘制实际物理系统的函数方块图
2.9控制系统数学模型的MATLAB实现
2.9.1控制系统在MATLAB中的描述
2.9.2计算闭环传递函数
2.9.3应用举例
*2.10状态空间方程的基本概念
例题及习题

3时域瞬态响应分析

3.1时域响应以及典型输入信号
3.1.1阶跃函数
3.1.2斜坡函数
3.1.3加速度函数
3.1.4脉冲函数
3.1.5正弦函数
3.2一阶系统的瞬态响应
3.2.1一阶系统的单位阶跃响应
3.2.2一阶系统的单位斜坡响应
3.2.3一阶系统的单位脉冲响应
3.3二阶系统的瞬态响应
3.3.1二阶系统的单位阶跃响应
3.3.2二阶系统的单位脉冲响应
3.3.3二阶系统的单位斜坡响应
3.4时域分析性能指标
3.5高阶系统的瞬态响应
3.6借助MATLAB进行系统时间响应分析
3.6.1基于Toolbox工具箱的时域分析
3.6.2系统框图输入与仿真工具Simulink
3.7时域瞬态响应的实验方法

例题及习题

4控制系统的频率特性

4.1机电系统频率特性的概念及其基本实验方法
4.1.1频率特性概述
4.1.2频率特性的实验求取
4.2极坐标图
4.2.1典型环节的奈氏图
4.2.2奈氏图的一般作图方法
4.3对数坐标图
4.3.1典型环节的伯德图
4.3.2一般系统伯德图的作图方法
4.3.3最小相位系统
4.4由频率特性曲线求系统传递函数
4.5由单位脉冲响应求系统的频率特性
4.6控制系统的闭环频响
4.6.1由开环频率特性估计闭环频率特性
4.6.2系统频域指标
4.7机械系统动刚度的概念
4.8借助MATLAB进行控制系统的频域响应分析
4.8.1频率响应的计算方法
4.8.2频率响应曲线的绘制
例题及习题

5控制系统的稳定性分析

5.1系统稳定性的基本概念
5.2系统稳定的充要条件
5.3代数稳定性判据
5.3.1劳斯稳定性判据
5.3.2赫尔维茨稳定性判据
5.4奈奎斯特稳定性判据
5.4.1映射定理
5.4.2奈奎斯特稳定性判据
5.4.3奈奎斯特稳定性判据应用于最小相位系统
5.5应用奈奎斯特稳定性判据分析延时系统的稳定性
5.5.1延时环节串联在闭环系统的前向通道中时的系统稳定性
5.5.2延时环节并联在闭环系统前向通道中时的系统稳定性
5.6由伯德图判断系统的稳定性
5.7控制系统的相对稳定性
5.7.1采用劳斯判据看系统相对稳定性
5.7.2采用奈奎斯特稳定性判据看系统相对稳定性及其相对稳定性指标
5.8借助MATLAB分析系统稳定性
例题及习题

6控制系统的误差分析和计算

6.1稳态误差的基本概念
6.2输入引起的稳态误差
6.2.1误差传递函数与稳态误差
6.2.2静态误差系数
6.3干扰引起的稳态误差
6.4减小系统误差的途径
6.5动态误差系数
例题及习题

7控制系统的综合与校正

7.1系统的性能指标
7.1.1时域性能指标
7.1.2开环频域指标
7.1.3闭环频域指标
7.1.4综合性能指标（误差准则）
7.2系统的校正概述
7.3串联校正
7.3.1超前校正
7.3.2滞后校正
7.3.3滞后超前校正
7.3.4PID调节器
7.4反馈校正
7.4.1利用反馈校正改变局部结构和参数
7.4.2速度反馈和加速度反馈
7.5用频率法对控制系统进行综合与校正
7.5.1典型系统的希望对数频率特性
7.5.2希望对数频率特性与系统性能指标的关系
7.5.3用希望对数频率特性进行校正装置的设计
7.6典型控制系统举例
7.6.1直流电动机调速系统
7.6.2电压位置随动系统
7.7确定控制方式及参数的其他方法
7.7.1任意极点配置法
7.7.2高阶系统累试法
7.7.3试探法
7.7.4齐格勒尼科尔斯法
7.8MATLAB在系统综合校正中的应用
7.8.1MATLAB函数在系统校正中的应用
7.8.2Simulink在系统综合校正中的应用
例题及习题

8根轨迹法

8.1根轨迹与根轨迹方程
8.1.1根轨迹
8.1.2根轨迹方程及相角、幅值条件
8.2绘制根轨迹的基本法则
8.3其他参数根轨迹图的绘制
8.4根轨迹图绘制举例
8.5系统闭环零点、极点的分布与性能指标
8.5.1闭环零极点分布与阶跃响应的定性关系
8.5.2利用主导极点估算系统性能指标
8.6借助MATLAB进行系统根轨迹分析
8.6.1根轨迹的相关函数
8.6.2利用MATLAB进行系统根轨迹分析
例题及习题

9计算机控制系统

9.1计算机控制系统概述
9.1.1计算机控制系统的组成
9.1.2计算机内信号的处理和传递过程
9.1.3计算机控制系统理论
9.2线性离散系统的数学模型
9.2.1线性常系数差分方程
9.2.2Z变换 
9.2.3脉冲传递函数
*9.2.4离散状态空间模型
9.3线性离散系统的性能分析
9.3.1线性离散系统的稳定性分析
9.3.2线性离散系统的稳态误差分析
9.4计算机控制系统的模拟化设计方法
9.4.1数字校正环节的近似设计方法
9.4.2数字PID控制器
9.5MATLAB在计算机控制系统中的应用
9.5.1Z变换和Z反变换
9.5.2连续系统的离散化方法
9.5.3利用Toolbox工具箱分析离散系统
9.5.4利用Simulink分析离散系统
例题及习题

*10控制系统的非线性问题

10.1概述
10.1.1典型的非线性类型
10.1.2分析非线性系统的方法
10.2描述函数法
10.2.1定义
10.2.2饱和放大器
10.2.3两位置继电特性
10.2.4死区
10.2.5三位置继电特性
10.2.6间隙
10.2.7利用描述函数法分析非线性系统稳定性
10.3相轨迹法
10.3.1相轨迹的作图法
10.3.2奇点
10.3.3从相轨迹求时间信息
10.3.4非线性系统的相平面分析
10.4李雅普诺夫稳定性方法
10.5借助MATLAB分析系统非线性
10.5.1非线性系统的时域及频域特性的MATLAB实现
10.5.2非线性系统的相平面图
例题及习题

11基于LabVIEW的控制系统动态仿真演示软件

11.1LabVIEW介绍
11.2借助LabVIEW建立和分析控制系统
11.2.1在LabVIEW中创建一个虚拟仪器（VI）
11.2.2系统参数输入
11.2.3系统模型建立、分析及仿真
11.2.4系统结果输出
11.3借助LabVIEW分析控制系统的时域特性
11.3.1系统传递函数输入
11.3.2时域特性分析
11.4借助LabVIEW分析控制系统的频率特性
11.4.1系统传递函数输入
11.4.2系统频域特性分析
11.4.3开环系统伯德图绘制
11.4.4闭环系统的频率特性
11.5借助LabVIEW分析控制系统的稳定性
11.6借助LabVIEW分析控制系统的稳态误差
11.7LabVIEW在系统综合校正中的应用
11.8借助LabVIEW进行系统根轨迹分析

附录A拉普拉斯变换表

附录B高阶最优模型最佳频比的证明

部分习题参考答案

参考文献

现代科技的发展使网络得到了极大的普及和完善，百年形成的近乎完美的采用纸质教材进行纯课堂教学模式受到挑战。同时由于新型冠状病毒疫情的长期性、复杂性，线上线下混合式教学模式应运而生，成为一种新的教学模式。该教材的第5版正是为了适应线上线下混合式教学模式编写的。该教材是采用纸质教材和数字化资源结合的新形态教材，既能保持纸质教材的结构逻辑严谨，又能发挥数字化资源的丰富直观。
该教材是在董景新、赵长德、郭美凤、陈志勇、刘云峰、李冬梅编著的获评全国首届教材建设奖优秀教材二等奖的《控制工程基础（第4版）》的基础上编写的。《控制工程基础（第4版）》自2015年1月正式面世已7年多。自第1、2、3、4版教材相继出版以来，随着“控制工程基础”课程在全国各高等院校的机械类、仪器类等非控制专业逐渐普遍开设，以及本教材声誉的不断提升，对教材的需求量也稳步增加。自出版以来根据需求该教材多次重新印刷，第1版11年时间累计印刷11次，印数达53000册；第2版5年多时间累计印刷10次，印数达60000册；第3版不到6年时间累计13次印刷，印数达64500册；第4版截至2021年已印刷17次，印数达74000册；截至2021年该教材总印数已达25.15万册。
“控制工程基础”课程相继被评为清华大学、北京市和国家级精品课程，国家级精品资源共享课； 清华大学等院校将本课程确定为机械学院平台课。除本校使用该教材外，另有约100所兄弟院校的仪器仪表类和机械类专业将该教材选为教学教材和研究生入学考试参考书。随着需求量的增加，我们深感责任的加重，也促使我们对于教材的编写精益求精、与时俱进，于是结合教学模式的变化进一步编写了第5版教材。
第5版教材主要是融入了由加拿大Quanser公司开发的Controls数字化动画素材(用手机扫分布在纸质教材有关章节内容处的二维码即可观看)。与此同时各章相关内容也做了或多或少的补充和修改，以更好地做到纸质教材和数字化资源相互配合达到更好的教学和自学效果。
另外，根据实际工程和科研的基本需求和多年的教学经验，在各章节内容论述上继续力求概念表达清楚准确，加强对问题的归纳说明，同时对由于技术发展现在已较少应用的上一版M圆、N圆、尼科尔斯图等内容予以删除，也适当增加了工程实用的一些内容。
全书由董景新教授整理统编。
该教材广泛参考了国内外同类教材和其他有关文献,保持并突出以下特点:
(1) 突出机械运动作为主要受控对象，并对其数学模型和分析综合内容重点介绍;
(2) 对自动调节原理基本内容表达清楚,着重于基本概念的建立和解决机电控制问题的基本方法的阐明,并简化或略去与机电工程距离较远、较艰深的严格数学推导内容;
(3) 引入和编写较多的例题及习题,便于自学;
(4) 反映机电一体化新技术和新分析方法。
对于属于该书领域的非基本内容，但在本领域文献中时有出现的较为繁难的部分，该教材中也作了一定简要介绍，其有关章节前注以“*”号。
在教材的编写中，得到加拿大Quanser公司中国区经理王薇女士的热情支持和帮助，特此致谢！
 编者
2022年9月

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