第1章绪论1.1引言

1.1.1控制理论的发展

1.1.2MATLAB工程软件

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自动控制系统的基本控制方式

1.2.3自动控制系统的基本组成

1.3自动控制系统的分类

1.4对控制系统的基本要求

1.5本课程的学习方法

本章小结

思考题与习题

第2章控制系统的数学模型

2.1拉普拉斯变换的数学方法

2.1.1复数与复变函数

2.1.2拉普拉斯变换

2.1.3拉普拉斯变换定理

2.1.4拉普拉斯逆变换

2.1.5用拉普拉斯变换解微分方程

2.2控制系统的微分方程

2.2.1线性系统微分方程的建立

2.2.2非线性系统微分方程的线性化

2.3传递函数

2.3.1传递函数概述

2.3.2典型环节的传递函数

2.3.3传递函数的标准形式

2.4控制系统的结构图及其等效变换

2.4.1结构图概述

2.4.2结构图等效变换

2.5控制系统的传递函数

2.5.1系统开环传递函数

2.5.2系统闭环传递函数

2.6信号流图与Mason公式

2.6.1信号流图

2.6.2Mason公式

2.7控制系统数学模型的MATLAB实现

2.7.1拉普拉斯变换与逆变换

2.7.2传递函数的MATLAB描述

2.7.3数学模型的转换

2.7.4系统结构图的简化

本章小结

思考题与习题

第3章控制系统的时域分析

3.1时间响应与典型输入信号

3.1.1时间响应的概念

3.1.2典型输入信号

3.2一阶系统的时间响应

3.2.1一阶系统的数学模型

3.2.2一阶系统的单位脉冲响应

3.2.3一阶系统的单位阶跃响应

3.2.4一阶系统的单位速度响应

3.3二阶系统的时间响应

3.3.1二阶系统的数学模型

3.3.2二阶系统的单位阶跃响应

3.4瞬态响应的性能指标

3.5稳态误差分析与计算

3.5.1稳态误差的概念

3.5.2稳态误差的计算

3.5.3稳态误差系数

3.5.4干扰作用下的稳态误差

3.6控制系统的稳定性分析

3.6.1系统稳定性的基本概念

3.6.2Routh Hurwitz稳定判据

3.7MATLAB环境下时域响应分析

本章小结

思考题与习题

第4章控制系统的频域分析

4.1频率特性的基本概念

4.1.1频率特性概述

4.1.2频率特性的求取方法

4.1.3频率特性的表示法

4.2典型环节的频率特性

4.2.1比例环节

4.2.2积分环节

4.2.3惯性环节

4.2.4振荡环节

4.2.5微分环节

4.2.6延时环节

4.2.7最小相位系统与非最小相位系统

4.3控制系统的开环频率特性

4.3.1系统开环幅相频率特性

4.3.2系统开环对数频率特性

4.4控制系统的频域稳定性分析

4.4.1系统开环频率特性与闭环特征式的关系

4.4.2幅角变化与系统稳定性的关系

4.4.3Nyquist稳定判据

4.4.4应用Bode图判断闭环系统的稳定性

4.5开环频率特性分析

4.5.1开环频域性能指标

4.5.2开环频率特性与时域指标的关系

4.5.3开环频域指标与中频段特性

4.6闭环频率特性分析

4.6.1闭环频率特性

4.6.2闭环频域指标

4.6.3闭环频域指标与时域指标

4.7MATLAB在系统频域分析中的应用

本章小结

思考题与习题

第5章控制系统的根轨迹

5.1根轨迹与控制系统特性

5.1.1根轨迹基本概念

5.1.2相角条件和幅值条件

5.2绘制根轨迹的基本法则

5.2.1常规根轨迹

5.2.2参数根轨迹

5.3用根轨迹分析控制系统性能

5.4利用MATLAB绘制系统根轨迹

本章小结

思考题与习题

第6章控制系统的综合与校正

6.1控制系统校正的基本概念

6.1.1控制系统校正与校正装置

6.1.2控制系统的性能指标

6.1.3校正方式

6.2常用校正装置及其特性

6.2.1超前校正装置

6.2.2滞后校正装置

6.2.3滞后—超前校正装置

6.3串联校正

6.3.1相位超前校正

6.3.2相位滞后校正

6.3.3串联滞后—超前校正

6.4并联校正

6.4.1反馈校正

6.4.2前馈校正

6.5MATLAB在系统校正中的应用

本章小结

思考题与习题

第7章控制工程典型案例

7.1海底隧道钻机控制系统

7.2哈勃太空望远镜指向控制系统

7.3火星漫游车转向控制系统

7.4遥控侦察车速度控制系统

7.5雕刻机控制系统

7.6转子绕线机控制系统

7.7六足机器人单足控制系统

7.8打印机皮带驱动系统

附录A常用函数的拉普拉斯变换表

附录B常用控制工程术语汉英对照表

思考题与习题参考答案

参考文献"

本书主要介绍了控制工程的基本概念和基础知识，以及MATLAB软件在控制系统分析与设计中的应用。全书共分7章，内容包括绪论、控制系统的数学模型、控制系统的时域分析、控制系统的频域分析、控制系统的根轨迹、控制系统的综合与校正以及控制工程典型案例等部分。

每章前配有“主要内容”、“重点与难点”和“基本要求”，章后配有“本章小结”和“思考题与习题”，便于读者学习和巩固所学知识。并在书后附有部分习题的参考答案，以配合课堂教学，帮助读者准确理解有关概念，掌握解题方法与技巧。

全书章节内容连贯，系统性强。注重控制理论在机械工程中的应用，并结合机械系统实例，对系统进行分析与设计，为学生将来运用控制理论解决机械工程中的实际问题打下基础。本书可作为应用型本科院校机械工程类专业、测控技术、仪器类专业及高职高专院校自动化类专业的教材，也可供相关领域的工程技术人员参考。

本书是《机械控制工程基础》的教学辅导用书，与教材同步使用。本书的地应于教材各章节，每章包括内容要点，基本要求、重点难点、命题精选和习题解答。第八章精选了四套综合练习题，其中包括部分院校研究生入学考试试题和本科生课程结业考试题并给了参考答案。本书内容精炼，重点突出，题解详尽清楚。

该教材是在董景新、赵长德、郭美凤、陈志勇、李冬梅编著的《控制工程基础》第3版的基础上重新编写的。《控制工程基础》第3版自2009年6月正式出版已五年多。自第1、2、3版教材相继出版以来，该教材随着“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，总印数达53000册；第2版5年多时间累计印刷10次，总印数达60000册；第3版不到5年时间就累计12次印刷，总印数已达62500册。

本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；清华大学等院校也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我们编著的教材选为使用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，促使我们对于教材的编写精益求精、与时俱进，于是由目前在教学第一线的教师进一步编写了第4版教材。

第4版教材在以前各版的基础上各章都作了或多或少的补充和修改。鉴于LabVIEW是更加直观方便的图形化程序编译平台，在控制工程中得到越来越多的应用，增加了LabVIEW工具在控制工程应用的内容，独立成章，该章节由刘云峰副教授完成。该章介绍了借助LabVIEW，进行控制系统的数学建模、时间响应分析、频域响应分析、系统稳定性分析和系统综合校正设计等。同时，为了方便更好地理解掌握教材其他章节论述的概念和方法，特基于LabVIEW设计编写了配合教材使用的控制系统动态仿真、分析、演示软件，不仅可以完成对控制系统在时域和频域进行特性仿真分析，还可以动态地分析和演示控制系统中不同参数及参数变化对系统特性的影响。

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力求概念表达清楚准确，加强对问题的归纳说明，同时也适当增加了一些诸如内模原理和内模控制简要介绍的内容。

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:第4版前言控制工程基础（第4版）(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重点研究;

(2) 对自动调节原理基本内容表达清楚，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;

(3) 引入和编写较多的例题与习题，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介绍，其有关章节前注以“”号。

在有关LabVIEW章节的编写中，得到NI公司中国区刘洋工程师在实验设备和技术方面的支持帮助，并提供了部分素材，在此致谢！

该教材的编写得到了国家高等教育精品课建设项目、北京市高等教育精品教材建设项目和清华大学精品课建设项目经费的支持，纳入985清华大学名优教材立项资助，在此表示衷心感谢。

编者2014年10月

• 配套教材

该教材配有辅助教材《控制工程基础（第3版）习题解》《控制工程基础实验指导》和教师用《控制工程基础习题解》。

• 课程资源

该教材还配有和多媒体课件。