机械工程控制基础 (普通高等院校“十一五”规划教材,普通高等院校机械类精品教材)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：杨叔子

出版社：华中科技大学出版社

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

机械工程控制基础 (普通高等院校“十一五”规划教材,普通高等院校机械类精品教材)试读：

内容简介

本书的第一、二、三版曾荣获国家级优秀教学成果二等奖和全国高等学校机电类专业优秀教材一等奖；第四版被列入国家面向21世纪课程教材和国家“九五”重点教材；本版被定为“普通高等学校‘十五’国家级重点教材”。

本书内容包括机械工程控制的基本概念、系统的数学模型、时间响应分析、频率特性分析、系统的稳定性、系统的性能指标与校正、非线性系统、线性离散系统及系统辨识等。除第一章外，各章均有利用MATLAB解题的示例。

本书力求在讲清机械工程控制的基本概念的前提下，更多地结合机械工程实际，以帮助读者领悟与学会应用控制理论来解决机械工程的实际问题奠定必要的基础。

本书可供机械工程类专业，特别是机械设计制造及其自动化专业的本科、成教、函授、夜大学生作为教材，也可供有关教师与工程技术人员作为参考书。

与本书配套出版的《机械工程控制基础学习辅导与题解》（修订本）总结了学习本书的基本要求、重点与难点，扩充了例题，并对本书中的所有习题进行了解答，可供教师作为教学参考书，也可供学生作为学习辅导书。

另外，任课教师若有其他需要与要求，可与责任编辑联系。（Tel：027-87541951　　E-mail：qiuping168＠263.net）总序

发展是硬道理，而改革是关键。唐代大诗人刘禹锡写得多么好：“请君莫奏前朝曲，听唱新翻《杨柳枝》。”这是这位改革派的伟大心声。

1998年教育部颁布了新的普通高等学校专业目录。这是一大改革。为满足各高校开办“机械设计制造及其自动化”宽口径新专业教学的需要，华中科技大学出版社在世纪之交，千年之替，顺应时代潮流，努力推出了“机械设计制造及其自动化”专业系列教材。这套系列教材是在众多院士支持与指导下，由全国20余所院校数十位长期从事教学和教学改革工作的教师经多年辛勤劳动编写成的，它有特色，能满足机械类专业人才培养要求。

这套系列教材的特色在于，它紧密结合“机械类专业人才培养方案及教学内容体系改革的研究与实践”与“工程制图与机械基础系列课程教学内容和课程体系改革的研究与实践”两个重大教学改革项目，集中反映了华中科技大学和国内众多兄弟院校自实施教育部“高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划”以来，在改革机械类人才培养模式和课程内容体系方面所取得的成果。

这套系列教材，是完全按照两个重大教学改革项目的成果所提出的“机械设计制造及其自动化”宽口径专业培养方案中所设置的课程来编写的。这一培养方案的一个重要特点是：专业基础课按课群方式设置，即由力学系列课程，机械设计基础系列课程，计算机应用基础系列课程，电工、电子技术基础系列课程，机械制造技术基础系列课程，测控系列课程，经营管理系列课程等七大课群组成，有效地拓宽了专业口径和专业基础，体现了机械类专业人才培养模式的改革。

同时专业基础课按课群设置，也有利于加强课群内各门课程在内容上的衔接，有利于课程体系的进一步整合、优化及改革。专业基础课按七大课群设置，这得到了全国高校机械工程类专业教学指导委员会的充分赞同。

21世纪工程教育的一个基本特征就是“适应性”，就是坚持邓小平同志指出的教育的“三个面向”的战略思想。能适应，才能创业。要能多方适应科学技术的突飞猛进和社会的不断进步，就得进一步明确指导思想，进一步合适地拓宽专业口径与专业基础，构造现代化的人才知识结构、能力结构和素质结构，就得因史制宜、因地制宜、因势制宜，努力实现培养模式的多样化，切忌“千篇一律”、“千人一脸”，万紫千红方能有一个大好的春天。

这是一套具有较大改革力度的系列教材。教材的作者们认真贯彻了中央的教育方针与改革思想，体现出两个重大改革项目成果所提出的“以创新设计为核心，以机械技术与信息技术结合为龙头，以计算机辅助技术为主线，拓宽基础，强化实践”的总体改革思路，并本着整合、拓宽、更新和更加注重应用的原则，对课程的内容、体系进行了诸多重要改革，而且许多课程在开发电子教材方面也取得了长足进展。

按照减少学时、降低重心、拓宽面向、精选内容、更新知识的原则，对原机械专业三门主要专业课（机械制造工艺学、金属切削机床设计、金属切削原理与刀具）实行了整合和改造，编写出了供“机械设计及其自动化”宽口径专业学生学习的《机械制造技术基础》新教材。

改造了原电工技术、电子技术系列课程，将分散在几门课程中的强电知识整合为《机电传动控制》新课程，减少了重复，拓宽了基础，突出了“机电结合、电为机用”的特点。

使用自主版权软件改革传统工程制图内容体系，不仅实现了工程制图和计算机绘图内容的有机融合，也实现了制图课教学手段的现代化。

以设计为主线，重新规划了《机械设计》和《机械原理》课程体系结构，在内容上努力实现由注重学科的系统性向更加注重工程综合性的转化，在教学手段上全面引入多媒体技术，提升了课堂教学的效果和效率。《金属材料及热处理》更名为《工程材料及应用》，除紧密结合现代科技成就，讲解金属材料的基本理论及应用外，还讲解了其他各类工程材料的有关知识。《测试技术》更名为《工程测试与信息处理》，加强了与信息获取、传输、存储、处理及应用有关的内容，并率先在国内建成网上测试技术虚拟实验室。《液压传动》与《气压传动》整合为《液压传动与气压传动》，精简了内容，强化了应用，并制作出了相应的电子教案。《材料成形工艺基础》在精选传统金属成形工艺内容的基础上，较大幅度地增加了新材料、新工艺、新技术方面的知识。

编写出版了《现代设计方法》、《机构与机械零部件CAD》、《柔性制造自动化概论》、《机电一体化控制技术与系统》及《机器人技术基础》等教材，反映了现代科技的新发展。

科学与工程既有联系又有区别。科学注重分析，工程注重综合。任何一项工程本身都是多学科的综合体。今天，工程技术专家的基本作用正是一种集成作用，工程技术专家的任务是构建整体。我们必须从我国国情出发，按照现代工程的特点和工程技术专家的基本作用来构建机械工程教育的内容和体系。

华中科技大学出版社依托全国高校机械工程类专业教学指导委员会、全国高校机械基础课程指导委员会，经过多年不懈的努力，使这套系列教材的出版达到了较高的质量水准。例如，目前已有11本被教育部批准为“面向21世纪课程教材”，有5本获得过国家级、省部级各种奖励，全套教材已被全国几十所高校采用，广泛受到教师和学生的欢迎。特别是其中一些教材（如《机械工程控制基础》、《数字控制机床》等），经长期使用，多次修订，已成为同类教材中的精品。

现在这套系列教材已经正式出版20多本，涵盖了“机械设计制造及其自动化”专业的所有主要专业基础课程和部分专业方向选修课程，能够较好地满足教学上的需要。我们深信，这套系列教材的出版发行和广泛使用，将不仅有利于加强各兄弟院校在教学改革方面的交流与合作，而且对机械类专业人才培养质量的提高也会起到积极的促进作用。

当然，由于编者学术水平有限，改革探索经验不足，组织工作还有缺陷，何况，形势总在不断发展，现在还远不能说系列教材已经完善，相反，还需要在改革的实践中不断检验，不断修改、锤炼，不断完善，永无休期。“嘤其鸣矣，求其友声。”我们殷切期望同行专家及读者们不吝赐教，多加批评与指正。

江泽民同志在2000年6月我国两院院士大会上号召我们：“创新，创新，再创新！”实践、探索、任重道远，只有努力开拓创新，才可能创造更美好的未来！2000年11月2日

第五版前言

国庆55周年前两天，我来写本教材第五版的前言，心潮难平。百啭千声任舞飞，万般红紫斗芳菲。我国在“三个代表”重要思想指引下，中国特色社会主义建设事业蓬勃发展，神州大地欣欣向荣。在这么美好景色的神州，本书第五版即将问世了。

2002年1月本书第四版问世以来，再次受到兄弟院校与有关读者的信任、欢迎与支持。追思1984年3月的第一版，抚今即将付印的第五版，本书已印刷35次，销售25万册。沉思20年的巨大变迁与发展，往事历历如潮翻涌。正如本书第一版前言所述：“由于现代科学技术的迅速发展，将控制理论应用于机械工程的重要性日益明显，这就导致了‘机械工程控制论’这门学科的产生与发展。实际上，这门学科既是一门广义的系统动力学，又是一种合乎唯物辩证法的方法论，它对启迪与发展人们的思维与智力有很大的作用。作为一门课程，它是机械工程类专业，特别是机电工程类专业的重要理论基础之一。”这是20年前出版本书的初衷和期望。一版、二版、三版、四版、五版，本书随同我国建设、教育发展、教学改革的前进而前进。实践是检验真理的惟一标准，20年的实践证明：“机械工程控制论”这门学科在促进机械工程的发展以及在培养机械工程人才，特别是机电一体化人才中发挥了非同一般的作用。这使作者不胜感慨和欣喜。

制造业是“永远不落的太阳”，是现代文明的支柱之一；它既占有基础地位，又处于前沿关键；既古老，又年轻；它是工业的主体，是国民经济的基础。在制造业中，特别值得提出的是机械制造业，也就是机械工业，它是制造业的基础与核心。在今天，信息技术尽管如此迅猛发展，高新科技尽管日新月异，但仍然改变不了制造业、机械制造业的基础地位。因此，发展机械制造业是发展国民经济、发展生产力的一项关键性的、基础性的战略措施。本书第五版的问世也正是为适应教学改革进一步发展的趋势，满足培养我国现代化建设机械工程高级人才的需要。

考虑到本书第四版问世已3年，教育教学改革的进一步发展与深入，尤其本书被定为“普通高等学校‘十五’国家级重点教材”和“面向21世纪课程教材”，以及由此而提出的要求，从而应予修订。为此，全面研究了本书内容与写法，增加了新的内容，完善了某些重要论述，对相关部分作了增、删、改。主要情况如下：（1）增加第二章2.6节“系统的状态空间模型”，以适应非线性、时变和多输入多输出系统分析的需要，更重要的是使用计算机进行系统的建模和分析这类迫切的需要。（2）增加第二章2.7节“数学模型的MATLAB描述”。MATLAB是美国Math works公司于20世纪80年代中期推出的高性能数值计算软件，现在已发展成为适合多学科的功能强大的科技应用软件。MATLAB的控制系统工具箱，主要处理以传递函数为主要特征的经典控制和以状态空间为主要特征的现代控制中的问题。该工具箱对控制系统的建模、分析和设计提供了一个较为完整的解决方案。增加这一节，使读者对应用这一软件有初步的了解。（3）从第三章至第九章，各章均增加了一节利用MATLAB解题的示例，以帮助读者学习如何利用MATLAB进行系统的建模、分析和设计的初步知识。（4）由于本版应用了MATLAB软件，因此，原书的第十章“控制系统的计算机辅助分析”也就没有必要了，予以删除。但考虑到其中的动态仿真工具SIMULINK的应用仍然十分广泛，故予以保留，但仅作为本书的附录。（5）对原书中一些论述不十分妥切乃至不当之处作了修改。

此次修订，充分听取了读者的意见，特别是使用本书的许多高等学校教师的意见。同时，充分汲取过去多年的教学经验，特别是吴波教授、熊良才博士近年的教学经验，在杨克冲教授、吴波教授、熊良才博士与我共同讨论的基础上，分工执笔：杨克冲教授负责了主要的统稿工作，花了大量的时间，并执笔了“系统的状态空间”一节；吴波教授、熊良才博士负责编写了有关MATLAB内容和教材电子版本。本版、电子版与《机械工程控制基础学习辅导与习题解答》（修订本）将同时付印。由于大家工作都高度繁忙，本版的主要工作未能完全落在吴波教授与熊良才博士肩上，未能实现“第四版序言”中的愿望，这是一大遗憾。

尽管本书从1984年3月问世，1987年、1993年、2002年和2004年已作了四次修改，现以第五版付印。饮水必应思源！本版付印，我们丝毫没有忘记以不同形式不同程度参与本书成书的教师与朋友，他们的劳动与智慧仍凝聚在第五版中。是的，没有过去，就没有现在，要承认历史，要尊重历史。我们感谢，感谢刘经燕、谢月云、梅志坚、王治藩、桂修文同志，感谢熊有伦院士、胡庆超教授、师汉民教授，感谢西安交通大学陈康宁教授，特别感谢已故的阳含和教授，感谢一切有关的同志们！我们还应感谢华中科技大学出版社及有关同事！是的，我们一贯认为，我们的事业是集体的，一切成就属于集体。

本书经过了20个春秋，有了可喜的进步，然而，真理不可穷尽，认识不会终结，进步无有止境，比之形势对我们的要求更有差距。我们真心地重复第三版前言中的真情：人孰无过？思孰无误？书孰无错？文孰无讹？何况，作者水平有限，知识有限，精力有限，书中的错误与不妥必然难免。“嘤其鸣矣，求其友声。”殷切期望广大读者，特别是兄弟院校的教师与学生，拨冗相助，不吝指教，我们仍将不胜感激。在中秋月圆之日，“但愿人长久，千里共婵娟。”

谨为之前言，聊达心情于万一。杨叔子2004年9月28日甲申中秋于华中科技大学

第四版前言

千年之交，百年之替，蛇年之初，新春之始，祖国社会主义建设事业高潮滚滚向前，高等学校教育教学改革蓬勃发展，本书第四版也即将付印。

1993年1月第三版问世以来，本书再次受到兄弟院校师生与有关读者的信任、欢迎与支持。追思1984年3月的第一版，抚今即将付印的第四版，本书已印刷26次，销售17万册；在以往获奖的基础上，1996年再次获得前机械工业部优秀教材一等奖，1997年获国家级优秀教学成果二等奖，1998年获湖北省科技进步二等奖。沉思17年的巨大变迁与发展，往事历历如潮翻涌，不胜感慨，更不禁欣喜。

是的，唐代有位著名的诗人，叫陈子昂，处在初唐向盛唐发展的时代，写了一首脍炙人口的名诗《登幽州台歌》：“前不见古人，后不见来者；念天地之悠悠，独怆然而涕下。”前进中会有曲折与支流，发展中总有困难与黑暗，这一名诗中没有反映当时社会发展的主流，即唐代正在蓬勃向上，过多地过重地看见了反面。我想，在今天，在我们的国家，正应该把他这首诗改一下，改成：“前既见古人，后更见来者；看大江之滔滔，喜奔腾而东下。”大江东去，总有泥沙俱下，鱼龙混杂，沉渣泛起，曲折险阻，然而都为势不可挡的大浪所淘尽。大江后浪催前浪。

正是这样，本书的一版、二版、三版、四版，随同我国工业建设的前进而前进。而且，参加第四版编写的教师，除我与杨克冲教授外，都是新参加编写工作的，但也是本书的长期使用者，这就是吴波、熊良才等同志，他们正承担着“机械工程控制基础”的教学与研究工作，承担了本版编写的重要工作。还应讲明的是，在本版付印后，即将有本版的电子版本出版，并可以上网，这一工作主要由吴波教授负责指导年轻同志完成。另外，如同前三版出版时一样，本版也有供教师备课与教学用的参考资料，且同本版一起出版，以利于本书的使用。这一参考资料也是由吴波、熊良才等同志完成的。事业后继有人。我相信，待本书第五版时，吴波教授等应该正式成为本书主要编写者了。

我们还绝不会忘记过去。没有过去，就没有现在。先后参加本书第一、二、三版编写的刘经燕、梅志坚、王治藩同志及参加有关工作的桂修文同志，已先后离开了我校，有的在广东，有的在英国、美国，然而仍情系本书，关心本书，支持本书，我们为之衷心感谢！为本书的完善而做了出色工作的谢月云同志也已退休，我们也要衷心感谢！有些同志虽然没有参加本版的编写工作，但其劳动成果却凝化在本版的有关内容中。这是历史，也是现实，都是事实，应该承认，应该铭记，应该尊重。还有，我校熊有伦院士、胡庆超教授、师汉民教授，特别是已故的西安交通大学阳含和教授，他们对本书的成书与出版，做出过巨大的贡献，我们深深感谢他们！对凡为本书的出版与完善而做过努力的朋友，对华中科技大学出版社及有关同事，对一切的真挚关心、有力支持、积极鼓励，我们一贯是：“衷心藏之，何日忘之？！”我们一贯认为我们的事业是集体的。

考虑到本书第三版出版后已八年，科学技术（特别是信息科技）的突飞猛进，教育教学改革的全面发展与不断深入，尤其是本书被定为“普通高等学校‘九五’国家级重点教材”和“面向21世纪课程教材”，以及由此而提出的要求，因此，本书应予修订，即对有关部分作了增、删、改。此次修订，充分汲取了这八年来的教学经验，在杨克冲、吴波、熊良才三位同志与我共同讨论的基础上，分工执笔：第一、七、八章由杨克冲同志执笔，其中，武汉理工大学赵燕参加了第八章的编写工作；第二、三、四、五、六、九章由吴波同志执笔；第十章由熊良才同志执笔，并编写程序；全书由吴波、杨克冲同志统稿与初步定稿，由我与吴波同志最后定稿。本版变动情况如下：（1）第七章、第八章为新增加的；（2）第一、二、三、四、五、六、九章做了一些增、删、改，主要是删；（3）第十章由原附录改写而来，增加了非线性控制系统的计算机辅助分析，所有程序均改为C语言；（4）原有各章习题均作了增、删、改。此外，如前所述，本版付印后，本版的电子版本即将付印，而供教师使用的参考资料将与本版一起付印。

在此，还应指出，华中科技大学出版社机电一体化系列教材的《机电工程控制基础》编写组为本书第四版提供了许多很好的素材，极大地充实了本版的内容，在此表示真挚的谢意！

本版由西安交通大学陈康宁教授主审，他提出了许多宝贵的意见与建议，有力地保证了本版的质量，在此表示由衷的谢意！

尽管本书已做了三次修改，现以第四版付印。然而，真理不可穷尽，认识不会终结，我真心地重复

第三版前言

饮水思源，谨成前言。杨叔子2001年2月4日（立春）于华中科技大学（华中科技大学由原华中理工大学、原同济医科大学、原武汉城建学院于2000年5月26日合并组建而成）杨叔子：教授，博士生导师，中国科学院院士第三版前言“衷心藏之，何日忘之”，在我执笔写第三版前言之际，《诗经》中的这两句诗自然涌上心头。我们要再次衷心感谢兄弟院校有关教师与学生以及所有读者的信任与支持，衷心感谢出版社与有关领导部门以及有关同志的关心与鼓励。本书自1984年3月初版与1988年6月再版以来，11次印刷，发行近9万册，仍然供不应求；而且还于1990年获中南地区高校出版社优秀图书一等奖，1992年获国家机械电子工业部优秀教材一等奖。这一切，特别是各方面给我们提出的宝贵意见，是对我们的真挚关心、有力支持与巨大鼓舞。饮水怎能不思其源？！

考虑到本书修订再版后的这段时间里科学技术的发展与我们的科研进展，我们感到书中的某些部分应作增、删与修改。因此，在杨克冲、刘经燕、谢月云、桂修文4位同志与我共同进行讨论的基础上，由杨克冲同志执笔进行修改，并由杨克冲同志与我一起最后定稿。主要修改情况如下：（1）对第一、二、四、五、七章作了一些增、删；（2）对各章均作了少量修改；（3）对习题作了一些增、删与修订，并对原内部出版的题解作了相应修改。

我应指出，杨克冲同志不仅在本次修改中承担了全部执笔修改任务，做了许多有创见的工作，而且在本书的成书与完善过程中做出了出色的贡献，从一定角度上讲，没有他的努力，就没有本书的第二版、第三版。还应指出，刘经燕同志自始至终参加了本书的成书与完善工作，提供了大量教学实践所反映的情况与由此而产生的重要意见；谢月云同志、桂修文同志近几年承担本课教学工作，他们两位对本书的完善十分关心，并积极参与，为本书的完善做出了重要的贡献；还有，远在英国的王治藩同志与调往广州的梅志坚同志，他们对本书的成书与完善所起的重要作用，我们也是不能忘怀的。对于在本书成书前后，对成书做出了巨大贡献的我校胡庆超、熊有伦与师汉民教授，在此，再次表示衷心的感谢。

在本书第三版问世时，我们深深怀念已故的西安交通大学阳含和教授，永远铭记他在“机械工程控制”学科的建立上所作的开拓性贡献，永远感激他在我国机械控制工程研究学会的创立上所起的巨大作用，永远珍惜他在本书成书与完善中所给予的宝贵指导与他对作者们的殷切期望。

尽管本书已作了两次修改，以第三版出现，然而，“人孰无过”？书孰无错？何况，作者水平有限，精力有限，时间有限，书中的错误与不妥在所难免。“嘤其鸣矣，求其友声。”殷切希望广大读者拨冗相助，不吝指教，我们仍将不胜感激。杨叔子1993年1月于华中理工大学

杨叔子：教授，博士生导师，华中理工大学校长，中国科学院院士

第二版前言

本书自1984年3月初版发行后，蒙全国四十余所高等院校有关专业采用，两次印发近三万册，仍然供不应求，这使我们受到很大的鼓舞。不少兄弟院校的有关教师乃至学生，就本书的系统、内容、习题等方面提出了许多宝贵意见，这使我们获得极深的教益。特别是，西安交通大学、天津大学、浙江大学、北京机械工业管理学院、成都科技大学、湖南大学、武汉工学院、武汉工业大学、长沙国防科技大学、中国人民解放军信息工程学院、太原重型机械学院等高校的机械工程系的有关教师，对本书的编写工作与本书出版后的使用情况一直十分关心。在此，我们谨向一切有关同志致以衷心的感谢！

根据三年来的教学实践与本门学科的发展情况，我们原拟对本书作一次重大的修改，但由于时间紧迫，愿望难以实现，只能有重点地作了较大的修改，主要情况如下：（1）对书中涉及的某些基本概念与知识，如反馈、闭环、动态特性、传递函数、时间响应的组成等，作了更深入的分析与论述；（2）对一些在目前所起作用不大的内容，如Nichols图、Nichols图线等，予以删除；（3）在附录中增加了计算机数字仿真实例。

至于原书中一些论述不十分妥切乃至不当之处，自然作了修改。

本书的修改是在原有编者加上谢月云、梅志坚同志的集体讨论的基础上，由杨克冲同志主要执笔，由杨叔子同志最后定稿的。本书附录在杨克冲、刘经燕同志参加下，主要由梅志坚同志执笔，并由杨叔子、杨克冲同志定稿。修改后的本书，错误与不妥仍在所难免，编者仍切望读者不吝指教，以利于编者的提高，以利于本书的下一次修改工作。编者1987年12月于华中工学院

第一版前言

本书是为高等院校的机械工程类专业，特别是机械制造工程类专业的“机械工程控制基础”（或称“控制工程基础”）这门课编写的教材。

由于现代科学技术的迅速发展，将控制理论应用于机械工程的重要性日益明显，这就导致了“机械工程控制论”这门学科的产生与发展。实际上，这门学科既是一门广义的系统动力学，又是一种合乎唯物辩证法的方法论，它对启迪与发展人们的思维与智力有很大的作用。作为一门课程，它是机械工程类专业的重要理论基础之一。

本书作为一门技术基础课的教材，力求在阐明机械工程控制论的基本概念、基本知识与基本方法的基础上，紧密结合机械工程实际，特别是结合机械制造工程实际，以便沟通与加强数理基础与专业知识之间的联系。

本书着重阐述了经典控制理论，特别是其中的频域法，即在系统的传递函数的基础上，着重阐述了系统的频率特性及应用。同时，考虑到系统数学模型的重要性与实际系统的复杂性，特地编写了“系统辨识”一章。在这章中，除了详细介绍了经典控制理论中的系统辨识方法以外，还以相当篇幅介绍了现代控制理论的系统辨识中的差分模型与数理统计学的时间序列中的ARMA模型。本书吸收了我院有关同志与编者在教学与科研中的成果。本书不包括数学基础部分（例如“积分变换”），因为这些数学基础已见诸我国统编的工程数学教材。本书的教学时数为40～60学时。

本书是在我院1982年为机械制造工艺与设备专业编写的《机械工程控制基础》讲义的基础上改写的。我们对原讲义的体系、内容与论述方法作了不少变动与修改。原讲义是由杨叔子、胡庆超、杨克冲、刘经燕同志集体讨论，分工执笔写成的，胡庆超同志承担了大部分的编写工作。本书是由杨叔子、杨克冲、刘经燕、王治藩同志集体讨论，分工执笔写成的（第一章由杨叔子同志执笔，第二、七章由王治藩同志执笔，第三、四章由刘经燕同志执笔，第五、六章由杨克冲同志执笔），最后由杨叔子、杨克冲两位同志定稿。实际上，本书是我院有关同志的集体劳动成果，胡庆超、师汉民、熊有伦等同志在开设与改进本门课程中，在本书的成书过程中，都付出了辛勤的劳动。编者对这些同志表示衷心的感谢。

值得提出的是，1983年7月举行的有16所高等院校参加的中南地区高校机械工程控制研究会对本书的编写起了很大的鼓励与促进作用。编者对这次会议的与会者，特别是对武汉工学院的宋尔涛同志、容一鸣同志，深表感谢。还应提出，在开设本门课程中，我们得到西安交通大学阳含和、王馨等同志多方面的帮助，得到我院自动控制系费奇、邓聚龙等同志的许多帮助。在原讲义的编写中，我们主要参考了哈尔滨工业大学李友善同志的《自动控制原理》（上册）一书与西安交通大学阳含和同志、清华大学张伯鹏同志为他们本校有关专业编写的《控制工程基础》的讲义初稿。在此一并深表感谢。

限于编者的水平，加上本课程是新开设的课程，许多问题还有待探讨，因此，本书中的谬误与不妥之处在所难免。编者切望读者不吝指教，提出批评建议，我们由衷地欢迎与感激。编者1984年2月于华中工学院

主要符号说明

制造业是“永远不落的太阳”，是现代文明的支柱之一；它既占有基础地位，又处于前沿关键，既古老，又年轻；它是工业发展的主体，是国民经济持续发展的基础。甚至可以讲，没有“制造”，就没有人类。恩格斯在《自然辩证法》中讲得对：“直立和劳动创造了人类，而劳动是从制造工具开始的。”的确，可形象地讲：人，人类文明是从制造第一把石刀这一生产工具开始的。毛泽东在《贺新郎·咏史》一词中，一开始就写道：“人猿相揖别，只几个石头磨过，小儿时节。”

在制造业中，特别值得提出的是机械制造业，它是制造业的基础与核心。在今天，信息科技尽管如此迅猛发展，高新科技尽管日新月异，仍然改变不了制造业、机械制造业的基础地位。机械制造业是生产工具、生活资料、科技手段、国防装备等的提供及其进步的依托，是社会现代化的动力源之一。马克思在《资本论》中有段名言，至今仍熠熠生辉：“大工业必须掌握它特有的生产资料，即机器的本身，必须用机器生产机器。这样大工业才建立起与自己相适应的技术基础，才得以自立。”生产机器的机器，我国称为“机床”，英文称为“Machine Tool”（机器工具），有道理；德文叫做“Werkzeugmaschine”（工具机器），更有道理。可以说，没有制造业，就没有工业。因此，发展机械制造业是发展国民经济、发展生产力的一项关键性的基础性的战略措施。为了更快更好地发展机械制造业，就必须研究机械制造技术发展的现状、特点与动向。

当前，机械制造技术发展的一个明显而主要的动向是越来越广泛而紧密地同信息科技交融，越来越广泛而深刻地引入控制理论。尽管从历史的发展上看，这还是初步的，从技术的总体上看，这还是局部的，但从发展的现状与前途上看，这却是最活跃、最富有生命力的，从而发展是极为迅速的。

为什么控制理论刚一进入机械制造领域，机械制造技术一同信息技术交融，就表现得如此富有生命力，并获得了引人注目的进展呢？从根本上讲，其原因是，当代生产与科学技术的发展同这个领域内人们的传统思想方法与由此所采用的认识分析与解决问题的方式之间发生了尖锐的矛盾，而控制理论以它本身固有的辩证方法顺应了广大机械制造工作者渴望冲破形而上学的思想方法，推动这一领域的生产与学科向前发展的愿望；在信息科技高度发展的现代，机械制造技术同信息技术相互交融，控制理论更显出其强大的生命力。

控制理论不仅是一门极为重要的学科，而且也是科学方法论之一。控制理论在工程技术领域中体现为工程控制论，在同机械工业相应的机械工程领域中体现为机械工程控制论。机械工程控制论是一门新兴学科，大量的问题，从概念到方法，从定义到公式，从理论的应用到经验的总结，都亟需进一步探讨。本书主要涉及经典控制理论的主要内容及其应用，同时也介绍现代控制理论的初步知识。1.1　机械工程控制论的研究对象与任务

工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问题。具体地说，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件（即输入或激励，包括外加控制与外加干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性（即由系统的结构与参数所决定的特性）所决定的整个动态历程；研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系。

现考察一个十分熟悉的例子。图1.1.1与图1.1.2分别表示同一个质量-阻尼-弹簧单自由度系统在不同输入时的情况。图中，m，c，k分别表示质量，粘性阻尼系数，弹簧刚度。对图1.1.1所示的系统而言，系统质量受外力f（t）的作用，质量位移为y（t），系统的动力学方程为图1.1.1　m-c-k单自由度系统图1.1.2　m-c-k单自由度系统（一）

对图1.1.2所示的系统而言，支座受位移x（t）的作用，质量位移为y（t），系统的动力学方程为

令p=d/dt，则方程（1.1.1）与方程（1.1.2）分别化为

和

mp2＋cp＋k为方程（1.1.1）与方程（1.1.2）左端的算子，它由系统本身的结构与参数所决定，反映了与外界无关的系统本身的固有特性。

1与cp＋k分别为方程（1.1.1）与方程（1.1.2）右端的算子，反映了与外界的关系。毫无疑问，系统本身的结构与参数一般是要影响这一算子的，亦即系统发生改变，这一算子一般也会发生改变。

y（0）与分别为质量的初位移与初速度，这就是在输入作用于系统之前系统的初始状态。显然，此系统在任何瞬间的状态完全可以由质量的位移y（t）与速度这两个变动着的状态（即状态变量）在此瞬间的取值来刻画。因为y（t）在此瞬间的取值代表了位移的情况；在此瞬间的取值代表了y（t）在此瞬间的变化趋势（速度）的情况，从而在系统已确定下，这两个状态变量就描绘了此系统的动态历程。

在上例中，f（t）与x（t）称为系统的输入（或激励），y（t）称为系统的输出（或系统对输入的响应）。显然，y（t）（它就是微分方程的解）是由系统的初始状态、系统的固有特性、系统与输入之间的关系以及输入所决定的；也可以说它代表了系统在一定外界条件下的动态历程。因为知道y（t），就知道，就知道y（t）与在任何瞬时的取值。在这里需强调一下，对于例中的系统，仅知道y（t）在某一瞬时的取值，还不足以刻画系统在此瞬时的状态。

对上例，需研究的问题可归纳为以下三类：

第一类，当系统（即m，c，k）与输入f（t），x（t）已知时，求输出y（t）。这个问题属理论力学的动力学的研究范畴；

第二类，当系统（即m，c，k）与输出y（t）已知时，求输入f（t），x（t）；

第三类，当系统的输入f（t），x（t）与输出y（t）已知时，求系统的m，c，k。

对于一般线性系统，其动力学方程可用高阶线性微分方程表示如下：

方程（1.1.3）左端的算子可写为anpn＋an-1pn－1＋…＋a1p＋a0，它反映了系统本身的固有特性；

方程（1.1.3）右端的算子可写为bmpm＋bm－1pm－1＋…＋b1p＋b0，它反映了系统与外界之间的关系；为系统在受外界作用前的初始状态，为刻画系统动态历程的状态变量；

y（t）为系统的输出；x（t）为系统的输入。

在此应指出：系统的初始状态也可视为一种特殊的输入，即“初始输入”或“初始激励”。其实，输入的结果就是改变系统的状态，并使系统的状态不断改变，这是力学中所讲的强迫运动；而当系统的初始状态不为零时，即使无输入，系统的状态也会不断改变，这是力学中所讲的自由运动。所谓系统的状态为零，就是指系统处于平衡位置，系统的状态不会改变。从使系统的状态不断发生改变这点来看，将系统的初始状态视为“初始输入”，是十分合理的。

由上面的简单介绍可知，工程控制论所要研究的问题在机械制造领域中是极为广泛的。例如，在现代测试技术中，应充分注意到，某一仪器调整到什么状态方能保证在给定的外界条件下，获得精确的测量结果。在这里，调整到一定状态的仪器本身是系统，外界条件是输入，测量结果是输出。显然，这里所研究的问题是系统及其输入、输出三者之间的动态关系。又例如，在机床数控技术中，所要解决的问题是，数控机床接受指令后，机床的有关运动应符合要求，这仍然是前述三者之间的动态关系问题。

正如前述，所研究的系统是广义系统。这个系统可大可小，可繁可简，甚至可“实”可“虚”，完全由研究的需要而定。譬如说，当研究某一产业集团（甚至包括现在所谓的“虚拟企业”或“企业动态联盟”）或某一机器制造厂应如何调整产品生产以适应市场变化的需要时，那么，此集团或此厂就是一个广义系统，市场情况是输入，产品生产情况是输出；当研究此厂的某台机床在切削加工过程中的动力学问题时，切削加工过程本身是一广义系统；当研究此台机床所加工的工件的某些质量指标时，这一工件本身可作为一广义系统；而当研究此台机床的操作者在加工过程中的作用时，操作者本身或操作者的思维等则可作为一广义系统。

由以上分析可知，就系统及其输入、输出三者之间的动态关系而言（如图1.1.3所示），工程控制论（包括机械工程控制论）的内容大致可归纳为如下五个方面：（1）当系统已定、输入（或激励）已知时，求出系统的输出（或响应），并通过输出来研究系统本身的有关问题，此即系统分析问题；（2）当系统已定时，确定输入，且所确定的输入应使得输出尽可能符合给定的最佳要求，此即最优控制问题；（3）当输入已知时，确定系统，且所确定的系统应使得输出尽可能符合给定的最佳要求，此即最优设计问题；（4）当输出已知时，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测问题；（5）当输入与输出均已知时，求出系统的结构与参数，即建立系统的数学模型，此即系统识别或系统辨识问题。图1.1.3　系统的框图

本书主要是以经典控制理论来研究问题（1）；同时，本书也以适当篇幅来研究问题（5）。因为系统的数学模型是研究系统的极为重要的基础与前提，而对工程技术中的大量系统，主要只能用试验方法（包括观测方法）获得系统的输入与输出，然后建立数学模型来进行研究。“系统辨识”就是解决这一问题的。请读者注意，虽然本书所研究的系统主要是线性定常系统，而线性定常系统又是最为基本的，但应强调非线性系统的重要性。非线性科学是关于非线性系统的科学，是关于体系总体本质的一门新学科，它更着眼于总体、过程和演化。因此，透过这扇窗户，看到的将是与牛顿、爱因斯坦创建的决定性的、简单和谐的模式不同的世界，而是一个演化的、开放的、复杂的世界，这是一幅更接近真实的世界图景。非线性科学不仅在认识论上有着深刻的哲学意义，在解决基本问题时又有着重大的科学意义。因此，本书还以适当篇幅介绍非线性系统某些最基础的知识。由于微电子技术、计算机技术、网络化技术的迅速发展，计算机作为信号处理的工具以及作为控制手段在控制系统中的应用不断迅速扩大。这种计算机控制的系统是一类离散控制系统，是数字控制系统。数字化技术是信息化技术的核心，也是先进制造技术的核心，如同所有数字化技术一样将得到愈来愈广泛的应用，可说前途无量。因此，本书也以适当篇幅介绍离散系统。为适应使用计算机进行系统的建模和分析等的需要，本书还以少量篇幅介绍现代控制理论的初步知识。1.2　系统及其模型一、系统

学会以“系统”的观点认识、分析、处理客观对象，是科学技术发展的需要，也是人类在认识论与方法论上的一大进步。随着生产的发展，人们的生产工具、生产设备、产品与工程结构均变得愈来愈复杂，这种复杂性主要表现在其内部各组成部分之间，以及它们与外界环境之间的联系变得愈来愈密切，以至于其中某部分的一些变化，可能会引起一连串的响应而波及全局，即“牵一发而动全身”。在这种情况下，孤立地研究各个部分，已不能满足要求，而必须将有关的部分联系起来，作为一个有机的整体加以认识、分析与处理。这个有机的整体，称为“系统”。我们所研究的“系统”就是由相互联系、相互作用的若干部分构成，而且有一定的目的或一定的运动规律的一个整体。其实，在自然界、社会界、工程中，存在着也只存在着各式各样的系统，任何一个系统莫不处于同外界（即同其他系统）相互联系之中，也莫不处于运动之中。系统由于其内部相应的机制，又由于其同外界相互的作用，就会有相应的行为、响应或输出。外界对系统的作用和系统对外界的作用，分别以“输入”及“输出”表示。一般的“系统”可以用前述的图1.1.3的框图表示。

组成系统的各个部分，可以是元件，也可以是下一级的系统，后者称为“子系统”；而整个系统又可以是上一层系统的子系统。必须注意，一个系统的特性并不能看成是组成它的元件或子系统的特性的简单总和。比起元件或子系统的特性来，系统特性要复杂得多，丰富得多。要了解一个系统，不仅需要知道组成它的各个部分，而且必须了解各部分之间的关系以及它们所组成的系统。为说明这一点，以图1.2.1所示的简单系统为例。这一系统由两个元件——质块m与弹簧k——组成。图中m表示质块的质量，k表示弹簧的刚度。若孤立地考察这两个元件，其特性均十分简单：质块的加速度与受到的力成正比，即牛顿第二定律；假定弹簧是线性的，弹簧的变形y（t）则与受到的力成正比，即虎克定律。可是两者构成如图1.2.1所示的系统以后，质量受外力f（t）的作用，质量位移为y（t），系统的动力学方程为图1.2.1　m-k简单系统

这一动力学方程表现出来的性质却比两个元件各自的性质复杂得多。例如，系统在一个初始位移y0或初始速度的作用下，会开始做“简谐振动”，即质块m按照正弦或余弦规律做往复运动，这是由于质块与弹簧两者结合在一个系统中相互作用而造成的，分别研究两个元件，无论如何也得不出这一结论。二、机械系统

以实现一定的机械运动，承受一定的机械载荷为目的，由机械元件组成的系统，称为机械系统。这是一类广泛存在的系统，例如各种工作机械、机床、动力设备、交通运输工具以及某些工程结构等均是机械系统。

机械系统的输入与输出，往往又分别称为“激励”与“响应”。机械系统的“激励”一般是外界对系统的作用，如作用在系统上的力，即载荷等，而“响应”则一般是系统的变形或位移等。

一个系统的激励，如果是人为地、有意识地加上去的，往往又称为“控制”，而如果是偶然因素产生而一般无法完全人为控制的，则称为“扰动”。三、静态模型与动态模型

模型是研究系统、认识系统与描述系统、分析系统的一种工具。这里所说的“模型”是指一种用数学方法所描述的抽象的理论模型，用来表达一个系统内部各部分之间，或系统与其外部环境之间的关系，故又称为“数学模型”。

图1.2.2（a）表示一台机器放在隔振垫上。将机器简化为一刚性质块，设其质量为m。设质块在铅垂方向的位移为x（t），从静态平衡位置开始计算质块的位移。作用在质块上的外力记为F（t），而隔振垫对机器的支反力记为N（t），取机器为脱离体，按牛顿第二定律，有图1.2.2　机器与隔振垫系统

一般而言，隔振垫的支反力N（t）与机器移动的位移x（t）及速度有关，即

此式一般为非线性函数，但当均较小时，可按Taylor级数展开，且仅取其一次项，则有

记

而f（0，0）表示一恒力，鉴于此恒力对系统运动变化规律无影响，故可将式（1.2.3）写成

此式右边两项分别表示一个弹性力与一个粘性阻尼力，代回式（1.2.2），即得到运动方程

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

下载完整电子书