机械控制工程基础（第2版） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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玄兆燕 编

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• 机械控制
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• 机械工程
• 电气工程
• 系统控制
• 反馈控制
• 现代控制
• 控制原理
• 电机控制

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121288852

版次：2

商品编码：11965349

包装：平装

丛书名： 普通高等教育

开本：16开

出版时间：2016-08-01

用纸：胶版纸

页数：300

字数：480000

正文语种：中文

编辑推荐

适读人群 ：本书可作为高等学校机械设计制造及自动化、机电一体化等专业本科生和专科生的教材，也可供有关教师与工程技术人员作为参考书。

高等教材修订版作品。难易适度，偏重应用。配有PPT课件等教学资源。

内容简介

本书主要讲述机械工程控制的基本原理和基本知识，内容包括：控制工程的发展史、控制工程的研究对象和任务、控制系统的组成和实例；拉普拉斯变换；系统数学模型的建立；系统的时域和频域分析；根轨迹；系统稳定性分析；系统校正；线性离散系统以及MATLAB在控制工程中的应用。

作者简介

玄兆燕，教授,主要从事 自动控制方向教学与科研。主要作品有：《自己动手编制Visual FoxPro程序》中国水利水电出版社，2002年1月；《机械工程控制基础》 电子工业出版社，2006年8月。

目录

第1章 绪论 （1）
1．1 引言 （1）
1．1．1 控制工程发展史 （1）
1．1．2 机械控制工程的研究对象与任务 （2）
1．2 控制系统简介 （3）
1．2．1 控制系统的分类 （3）
1．2．2 闭环控制系统的组成 （6）
1．2．3 对控制系统的基本要求 （7）
本章小结 （7）
习题1 （8）
第2章 拉普拉斯变换 （9）
2．1 复变量与复变函数 （10）
2．1．1 复变量 （10）
2．1．2 复变函数 （10）
2．1．3 欧拉公式 （10）
2．2 拉氏变换的概念 （11）
2．2．1 问题的提出 （11）
2．2．2 拉氏变换的存在定理 （12）
2．3 拉氏变换的性质 （18）
2．3．1 线性性质 （18）
2．3．2 微分性质 （19）
2．3．3 积分性质 （21）
2．3．4 位移性质 （22）
2．3．5 延迟性质 （22）
2．3．6 尺度变换 （23）
2．3．7 初值定理、终值定理 （24）
2．4 拉氏逆变换 （26）
2．5 卷积 （31）
2．5．1 卷积的概念 （31）
2．5．2 卷积定理 （32）
本章小结 （36）
习题2 （36）
第3章 系统的数学模型 （39）
3．1 系统的微分方程 （40）
3．1．1 建立微分方程的基本步骤 （40）
3．1．2 机械系统的微分方程 （41）
3．1．3 电气系统的微分方程 （44）
3．1．4 机电系统的微分方程 （46）
3．1．5 系统的相似性 （49）
3．2 系统的传递函数 （50）
3．2．1 传递函数的基本概念 （50）
3．2．2 传递函数的零点、极点和放大系数 （51）
3．2．3 典型环节的传递函数 （52）
3．3 系统方框图及其简化 （64）
3．3．1 系统传递函数的方框图表示 （65）
3．3．2 传递函数方框图的简化 （70）
3．3．3 公式法化简系统方框图 （75）
3．4 信号流图与梅森增益公式 （76）
3．4．1 信号流图 （76）
3．4．2 梅森增益公式 （78）
3．5 输入和干扰同时作用下的系统传递函数 （80）
本章小结 （83）
习题3 （84）
第4章 时间响应分析 （89）
4．1 概述 （89）
4．1．1 时间响应及其组成 （90）
4．1．2 典型试验信号 （90）
4．2 一阶系统的时间响应 （92）
4．2．1 一阶系统的单位脉冲响应 （92）
4．2．2 一阶系统的单位阶跃响应 （93）
4．2．3 单位脉冲响应和单位阶跃响应的关系 （94）
4．3 二阶系统的时间响应 （94）
4．3．1 二阶系统标准形式 （94）
4．3．2 二阶系统特征方程的根与阻尼比的关系 （95）
4．3．3 二阶系统的单位脉冲响应 （96）
4．3．4 二阶系统的单位阶跃响应 （98）
4．3．5 二阶系统响应的性能指标 （101）
4．4 系统稳态误差分析 （106）
4．4．1 系统误差与偏差的关系 （106）
4．4．2 系统的稳态误差 （107）
4．4．3 静态误差系数 （110）
本章小结 （112）
习题4 （113）
第5章 系统频率响应分析 （115）
5．1 频率特性概述 （115）
5．1．1 频率特性的概念 （115）
5．1．2 频率特性的特点和作用 （118）
5．2 频率特性的极坐标图（Nyquist图） （120）
5．2．1 典型环节的Nyquist图 （120）
5．2．2 Nyquist图的一般绘制方法 （124）
5．3 频率特性的对数坐标图（Bode图） （128）
5．3．1 概述 （128）
5．3．2 典型环节的Bode图 （129）
5．3．3 Bode图的一般绘制方法 （134）
5．4 闭环频率特性 （140）
5．5 最小相位系统与非最小相位系统 （141）
5．6 根据频率特性曲线估计系统传递函数 （142）
5．6．1 确定放大倍数K （142）
5．6．2 各环节传递函数确定 （143）
本章小结 （145）
习题5 （145）
第6章 系统稳定性分析 （147）
6．1 系统稳定的概念和条件 （147）
6．1．1 系统稳定的基本概念 （147）
6．1．2 系统稳定性与特征根的关系 （148）
6．1．3 系统稳定的充分必要条件 （149）
6．2 劳斯（Routh）稳定判据 （150）
6．2．1 系统稳定的必要条件 （150）
6．2．2 系统稳定的充要条件 （151）
6．2．3 劳斯判据的特殊情况 （153）
6．3 Nyquist稳定判据 （154）
6．3．1 米哈伊洛夫定理 （154）
6．3．2 Nyquist稳定判据的证明 （156）
6．3．3 开环含有积分环节的Nyquist图 （158）
6．3．4 具有延时环节的系统稳定性分析 （160）
6．3．5 Nyquist稳定判据应用举例 （161）
6．4 Bode稳定判据 （163）
6．5 系统的相对稳定性 （166）
6．5．1 相位裕度? （166）
6．5．2 幅值裕度Kg （167）
本章小结 （170）
习题6 （170）
第7章 系统校正 （172）
7．1 系统的性能指标 （173）
7．1．1 时域性能指标 （173）
7．1．2 频域性能指标 （173）
7．2 系统校正 （177）
7．2．1 校正的概念 （177）
7．2．2 校正方式 （177）
7．3 串联校正 （178）
7．3．1 增益校正 （178）
7．3．2 相位超前校正 （180）
7．3．3 相位滞后校正 （183）
7．3．4 相位滞后－超前校正 （187）
7．4 PID校正 （191）
7．4．1 PID控制规律及其实现 （191）
7．4．2 PID调节器的设计 （195）
7．5 反馈校正 （198）
本章小结 （203）
习题7 （203）
第8章 根轨迹法 （207）
8．1 根轨迹概述 （207）
8．2 绘制根轨迹的基本条件 （210）
8．2．1 绘制根轨迹的幅值条件 （210）
8．2．2 绘制根轨迹的相位条件 （211）
8．3 根轨迹的绘制 （211）
8．3．1 根轨迹的绘制准则 （211）
8．3．2 根轨迹的绘制实例 （213）
本章小结 （217）
习题8 （217）
第9章 线性离散系统 （219）
9．1 计算机控制系统概述 （220）
9．1．1 计算机控制系统组成 （220）
9．1．2 信号的采样与采样定理 （222）
9．2 Z变换 （225）
9．2．1 Z变换的定义 （225）
9．2．2 Z变换的性质 （227）
9．2．3 Z反变换 （229）
9．3 线性离散系统的数学模型 （232）
9．3．1 线性离散系统的差分方程 （232）
9．3．2 脉冲传递函数 （235）
9．4 线性离散系统的稳定性分析 （240）
9．4．1 线性离散系统稳定的充分必要条件 （240）
9．4．2 线性离散系统的稳定性判据 （242）
9．4．3 线性离散系统的稳态误差分析 （244）
9．5 线性离散系统的校正与设计 （247）
9．5．1 对数频率特性法校正 （247）
9．5．2 有限拍设计 （251）
9．5．3 数字PID控制 （256）
本章小结 （262）
习题9 （263）
第10章 MATLAB在控制工程中的应用 （266）
10．1 MATLAB简介 （34）
10．2 用MATLAB进行瞬态响应分析 （267）
10．2．1 线性系统的MATLAB表示 （267）
10．2．2 系统单位阶跃响应的求法 （268）
10．2．3 系统单位脉冲响应的求法 （268）
10．3 用MATLAB进行频率响应分析 （269）
10．3．1 用MATLAB作Bode图 （269）
10．3．2 用MATLAB作Nyquist图 （271）
10．4 SIMULINK应用 （272）
10．4．1 SIMULINK概述 （272）
10．4．2 启动SIMULINK工具包 （273）
10．4．3 用SIMULINK创建系统模型 （274）
10．4．4 用SIMULINK进行系统仿真 （277）
本章小结 （278）
附录A 习题参考答案 （280）
参考文献 （289）

前言/序言

前 言

随着现代科学技术的发展，机械与控制已融为一体，控制工程在机械工程领域起着越来越重要的作用，机械控制工程作为机械工程类专业一门重要的专业基础课，其内容需要不断地更新调整和扩充新的知识。本书的主要内容包括：绪论；拉普拉斯变换；系统的数学模型；时间响应分析；系统频率响应分析；系统稳定性分析；系统校正；根轨迹法；线性离散系统；MATLAB在控制工程中的应用等内容。针对目前本科生的具体情况，试图将教材内容从深度的扩展转向广度的扩展。

机械控制工程理论不仅仅是一门很重要的学科，同时它的形成、发展以及对该理论的论述过程本身也体现了科学的方法论。为了培养学生客观、理性和实证的科学精神，本书作为机械工程类专业技术基础课教材，强调基本概念和基本方法，注重一些方法论述的逻辑性和严谨性，同时在论述过程中根据工科学生的具体情况尽量避免高深的数学论证，紧密结合控制与机械工程实际，用机械与电气实例解释说明一些基本理论和基本方法，以使其能很好地在数理知识和专业知识之间起到桥梁的作用。

本书主要介绍经典控制理论的基本内容，重点是其中的线性控制理论及其在控制系统分析中的应用，以及在机械动力系统动态性能分析中的应用。本书的编写试图从控制理论的发展史入手，介绍控制理论的基本概念和基本知识；其次阐述时间函数的拉普拉斯变换，在此基础上介绍系统的数学模型并导出传递函数的模型；然后是一阶、二阶系统的时间响应分析和频域分析，系统稳定性分析及系统的校正（包括PID校正），根轨迹，考虑目前计算机技术广泛应用于控制系统中，本书介绍了线性离散系统的相关内容；最后介绍了MATLAB在控制工程中的应用。

本书由华北理工大学玄兆燕主编，西南科技大学朱洪俊、天津理工大学杨秀萍为副主编，华北理工大学吴丽娟、冯茜参编。本书由天津理工大学王收军主审。编者分工为：第1章、第8章、第10章由玄兆燕执笔；第2章、第3章、第7章由朱洪俊执笔；第4章、第6章由杨秀萍执笔；第5章由吴丽娟执笔；第9章由冯茜执笔，冯茜还负责多媒体课件制作，最后由玄兆燕定稿。

感谢天津理工大学王收军老师，在审稿过程中提出了许多宝贵的意见；同时感谢华北理工大学的杨文生老师对本教材提出的宝贵的编写建议。

限于编者的水平，书中难免会出现缺点和不足，希望读者提出批评建议，我们衷心地表示感谢！

编 者

2016年4月于华北理工大学

《现代控制理论与工程实践》 内容简介： 本书旨在为读者深入剖析现代控制理论的核心概念，并将其与工程实践紧密结合，提供一套系统、全面且具有前瞻性的学习框架。内容涵盖了从经典控制理论的基石，到先进控制策略的最新发展，再到实际工程应用中的关键考量，力求使读者不仅理解理论的精髓，更能掌握解决复杂工程问题的能力。 第一部分：现代控制理论基石 本部分将系统梳理和阐述现代控制理论的 foundational 概念，为后续深入学习打下坚实基础。 状态空间方法： 重点介绍线性定常系统的时域分析，包括系统的能控性、可观测性及其判据。深入剖析状态向量的意义，以及如何通过状态方程来描述和预测系统的动态行为。在此基础上，将引出状态反馈控制、状态观测器设计等基本设计原理，并讨论其在稳定性和性能提升方面的作用。 频率域分析与设计： 回顾并拓展经典频率域分析工具，如奈奎斯特图、波特图、根轨迹等，并介绍如何利用这些工具来分析系统的稳定性、稳态误差和动态响应。在此基础上，引入更先进的频率域设计方法，例如环整形法、LMI（线性矩阵不等式）方法在控制器设计中的应用，以及Nyquist-Shanin准则的推广。 离散时间系统分析： 深入探讨离散时间系统的建模、分析与控制器设计。包括Z变换、序列的卷积、离散状态空间方程的建立与求解，以及离散系统的能控性与可观测性。在此基础上，将重点介绍数字PID控制器、零极点配置、模态控制等在离散系统中的实现方式，并分析其在数字信号处理与数字控制系统中的优势。 稳定性理论： 全面阐述系统稳定性的不同概念（如Lyapunov稳定性、渐近稳定性、指数稳定性），并重点介绍Lyapunov直接法和间接法在分析非线性系统稳定性方面的强大威力。还将探讨一些特殊的稳定性情况，如有限时间稳定性、扰动下的稳定性等，并介绍如何通过Lyapunov函数来保证系统的稳定性。 第二部分：先进控制策略与方法 本部分将聚焦于当前控制工程领域前沿的研究方向和具有广泛应用前景的先进控制技术。 最优控制理论： 详细讲解动态规划、变分法和Pontryagin最大值原理等经典最优控制方法，并重点介绍LQR（线性二次调节器）和LQG（线性二次高斯）控制器设计。将深入分析最优控制的数学基础，以及如何根据性能指标和约束条件来设计最优控制器。 鲁棒控制： 强调在系统模型不确定、存在干扰和噪声的情况下，如何设计能够保证系统性能和稳定性的控制器。介绍H-无穷（H∞）控制、μ-综合（μ-synthesis）控制等鲁棒控制设计方法，并探讨其在处理模型不确定性和外部扰动方面的有效性。 自适应控制： 探讨当系统参数发生变化或未知时，如何设计能够自动调整控制器参数以适应变化的控制策略。详细介绍模型参考自适应控制（MRAC）、自调整控制（STR）等基本原理和实现方法，并分析其在处理时变系统和未知系统时的优势。 智能控制： 引入并讲解基于神经网络、模糊逻辑和遗传算法等智能计算技术在控制系统中的应用。重点介绍模糊逻辑控制器（FLC）、神经网络控制器（NNC）、以及它们与传统控制方法相结合的混合智能控制技术，并展示其在处理非线性、强耦合和复杂系统时的优越性。 模型预测控制（MPC）： 深入阐述MPC的基本原理，包括滚动优化、预测模型、控制算法等。重点讲解MPC在处理约束、优化性能和实现多变量协调控制方面的强大能力，并分析其在流程工业、机器人、航空航天等领域的广泛应用。 非线性系统控制： 针对传统线性控制方法难以有效处理的非线性系统，介绍一系列先进的非线性控制技术，如反馈线性化、滑模控制、模糊滑模控制、基于Lyapunov函数的非线性控制器设计等。 第三部分：工程实践与应用 本部分将理论与实践相结合，着重探讨控制理论在具体工程领域的应用，以及在实际工程中需要考虑的关键因素。 系统辨识： 介绍常用的系统辨识方法，包括参数估计方法（如最小二乘法、最大似然法）和模型结构辨识方法，旨在从实验数据中构建准确的系统模型，为后续控制器设计提供依据。 控制器实现与硬件平台： 讨论不同类型的控制器（如模拟控制器、数字控制器）的设计与实现，以及各种硬件平台（如PLC、DCS、嵌入式系统）在控制系统中的选择与应用。介绍实时操作系统（RTOS）在嵌入式控制系统中的重要性，以及软硬件协同设计的要求。 工业控制系统（ICS）： 深入介绍工业自动化领域中的关键技术和系统架构，包括SCADA（数据采集与监控系统）、DCS（分布式控制系统）和PLC（可编程逻辑控制器）等。分析不同ICS在不同规模和复杂度的工业场景下的适用性。 机器人控制： 重点讲解机器人动力学建模、路径规划、轨迹跟踪以及多关节机器人协调控制等关键技术。介绍PID控制、力/位置混合控制、以及基于MPC的机器人控制方法。 航空航天控制： 探讨飞机、航天器等航空航天系统在姿态控制、导航制导、飞行控制等方面的特殊挑战与控制策略。介绍自适应飞行控制、鲁棒导航制导、以及先进的飞行姿态稳定系统。 过程控制： 专注于化工、能源、制药等流程工业中的控制问题。介绍分布式控制、先进过程控制（APC）、以及模型预测控制在优化生产过程、提高产品质量和保证安全运行方面的应用。 车辆动力学与控制： 涵盖汽车、轨道交通等车辆系统的动力学特性分析与控制设计。包括发动机控制、制动防抱死系统（ABS）、电子稳定程序（ESP）、以及自动驾驶系统的关键控制技术。 电机与电力电子系统控制： 深入研究电机控制（如永磁同步电机、感应电机）的各种控制算法，以及电力电子变换器（如逆变器、变流器）的控制策略。关注能源效率、系统稳定性以及电网交互等问题。 工程案例分析： 通过一系列实际工程案例，如智能电网中的分布式能源控制、智能制造中的柔性生产线控制、自动驾驶车辆的感知与决策控制等，展示所学理论与方法的实际应用效果，并提炼工程实践中的宝贵经验。 本书特色： 理论与实践并重： 强调理论知识的严谨性，同时注重其在实际工程问题中的应用，提供丰富的工程实例和分析。 循序渐进的教学体系： 从基础概念出发，逐步深入到先进的控制理论和技术，适合不同层次的读者。 系统性的知识框架： 构建了从理论到实践、从经典到前沿的完整知识体系，有助于读者建立全局观。 前瞻性的内容设置： 包含当前控制工程领域的热点和发展趋势，为读者未来的学习和研究提供指导。 严谨的数学推导与清晰的逻辑阐述： 确保理论的准确性，同时力求语言的易于理解。 本书不仅适合于控制工程、自动化、电气工程、机械工程等相关专业的高年级本科生和研究生，也适合于从事相关领域研究和工程实践的专业技术人员。通过学习本书，读者将能够深刻理解现代控制理论的精髓，掌握解决复杂工程控制问题的强大工具，并在不断发展的工程技术领域中脱颖而出。

评分☆☆☆☆☆

我一直在寻找一本能够全面提升我机械控制工程知识体系的书籍，这本书完美地契合了我的需求。它从基础理论到高级应用，几乎涵盖了所有我需要了解的知识点。我特别喜欢书中关于系统稳定性分析和鲁棒控制的部分，这些内容对于确保控制系统的可靠性和安全性至关重要。作者在讲解这些复杂概念时，运用了大量的图表和模拟，让抽象的理论变得具体可感。 更让我惊喜的是，书中还包含了大量的代码示例和仿真模型，这对于我这样的实践者来说，简直是无价之宝。我可以直接参考这些代码，快速地将理论知识转化为实际的应用。而且，书中的案例涵盖了工业自动化、航空航天、机器人等多个领域，让我能够拓宽视野，了解不同行业在机械控制工程方面的应用。这本书的广度和深度都令人称赞，绝对是一本不可多得的宝藏。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容实在是太丰富了，我感觉自己像是在一个巨大的知识宝库里徜徉。从最基础的机械原理，到复杂的控制系统设计，再到实际应用中的各种案例分析，这本书几乎无所不包。一开始我还有点担心，因为我之前对机械控制工程的了解仅限于一些皮毛，但这本书的编写风格非常清晰易懂，即使是对于我这样的初学者，也能循序渐进地理解其中的概念。作者并没有直接罗列枯燥的公式和理论，而是将它们巧妙地融入到生动形象的讲解和实际问题的解决过程中。 我特别喜欢书中的一些章节，比如关于传感器和执行器的部分，它详细介绍了不同类型传感器的工作原理、特点以及在不同场景下的应用。让我印象深刻的是，书中并没有停留在理论层面，而是通过大量的图示和表格，将复杂的机械结构和控制流程直观地展现出来。这对于我这种视觉型学习者来说，简直是福音。而且，书中对一些常见问题的分析和解决思路也非常到位，让我能够举一反三，将学到的知识应用到实际的工程项目中。

评分☆☆☆☆☆

这绝对是一本能改变你工程思维方式的书。它不仅仅是关于“如何做”的指南，更是关于“为什么这样做”的深入探讨。作者在讲解每一个概念时，都会追溯其背后的原理和逻辑，让你真正理解控制系统的本质。我尤其欣赏书中对系统辨识和模型预测控制的介绍，这部分内容让我对如何处理复杂的、非线性的控制对象有了更深刻的理解。 书中的数学推导部分也处理得相当得体，它在保证严谨性的同时，也尽量避免了过于晦涩难懂的语言。对于我这种不太擅长数学的人来说，这一点尤为重要。而且，作者还提供了大量的参考资料和进阶阅读建议，这对于想要深入研究某个特定领域的读者来说，非常有价值。我感觉自己读完这本书，不仅仅是掌握了一门技术，更是提升了一种解决问题的能力。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的感觉就像是一位经验丰富的导师，循循善诱地将他多年的智慧倾囊相授。它不是那种死板的教科书，而是充满生命力和实践精神的读物。从机械系统的建模，到控制器的设计，再到实际的实现和调试，每一个环节都讲解得非常到位。我印象最深刻的是书中关于模糊控制和神经网络控制的章节，这些前沿的控制理论在这本书里得到了非常清晰和实用的阐释。 我特别喜欢书中提出的“问题导向”的学习方法，它通过大量的实际工程案例，引导读者去思考如何运用所学的知识来解决实际问题。这种学习方式比单纯的理论灌输要有效得多，也更有趣。我感觉自己不仅仅是在学习知识，更是在学习如何成为一个优秀的控制工程师。这本书的实用性和前瞻性都非常高，绝对是值得反复研读的经典。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是为我量身定做的，它精准地填补了我知识体系中的空白。我之前在工作中有遇到一些关于伺服电机控制的问题，一直找不到一个系统的解决方案。读了这本书后，我恍然大悟，原来之前的一些理解都有些片面。书中关于电机模型、PID控制算法的讲解，结合实际的案例分析，让我对伺服系统的设计和调试有了全新的认识。特别是书中提到的几种优化控制策略，让我眼前一亮，感觉我之前的很多难题都能迎刃而解了。 我还有一个朋友是做自动化设备开发的，他最近在研究机器人手臂的运动规划，这本书里的相关章节也给了他很大的启发。书中对于轨迹生成、运动学和动力学建模的详细阐述，是他之前从未接触过的。他告诉我，这本书的专业性很强，但又不会让人望而却步，作者的叙述方式非常吸引人，即使是一些比较抽象的概念，也能在他的笔下变得生动形象。