日本图解机械工学入门系列--从零开始学机械控制（原著第2版）

原著第2版前言
本书自第1版发行以来，有幸获得大家的认同而多次重印，并得到这次修订的机会。
当今社会，自动控制已经成为工厂中的机械设备和装置、飞机、火箭等必不可少的功能，即使是对在日常生活中不可或缺的家用电器和汽车等而言也是如此。人们对控制的认识也已经从原来的“有这一功能更好”转变为“就应该具备这一功能”。甚至可以认为我们所能见到的机械或器具已经离不开控制的应用。一般来说，我们由这些装置的控制状况会联想到计算机控制，但是在机械或者电气等工程领域中，控制是指对位移、速度、电压、电流、温度以及压力等“物理量”进行控制的一种方法。在这类控制中也采用和普及微机等计算机，但需要注意的是自动控制理论构成了控制的基石。然而由于控制理论严重依赖于数学，所以往往给初始学习控制的人带来困惑。
因此，本书所涉及的范围是机械工程控制的基础内容，而且尽可能简单易懂地阐述，并精心配置插图进行解释说明。
在此修订之际，笔者参考了读者以前反馈的宝贵意见和指导，重新探讨了表达方式和内容。此外，在各章的内容之后都布置了练习题，希望读者通过自己努力地解答练习题，确认对本章内容的理解程度。期望读者通过对本书的学习，能对机械控制工程产生兴趣。
最后，本书此次修订，笔者得到了恪尽职守的欧姆出版社及同公司书籍编辑部的各位的莫大支持，在此由衷地向他们表示感谢。

作者 
2018 年7 月




原著第1版前言
通常，机械是由众多的零部件组合而成，为了将外部提供的动力有效地转换为功，各构件之间进行着相对而且固定的运动。
为了提高机械运动的精确程度并切实将动力有效地转换为功，需要进行机械控制。另外，用于制造机械装置的机床或设备等也需要利用控制技术。控制是指“为达到某种目的，对控制对象施加所需的操纵”，能够自动完成这一操纵的就是自动控制。控制这一概念历史悠久，如水表在公元前就已被单纯地应用在流量控制中，但是直到18世纪中叶，得益于英国工业革命的发生，自动控制技术才取得最迅速的发展。甚至可以说，詹姆斯·瓦特发明的用于保持蒸汽机转速的离心调速器是控制技术的起点。现如今，控制技术已从简单的控制方式发展到精度更高的控制方式，从机械式控制向电子式控制、计算机控制以及微机控制发展。
本书的第1章，介绍了应用在机械工程领域的自动控制的类型和基本概况。从第2章开始，为了理解机械工程控制中最常用的反馈控制，解释说明了拉普拉斯变换、拉普拉斯变换表的使用方法、典型环节传递函数的分析方法、采用图解方法分析控制系统的结构框图、瞬态响应以及频率响应等，进而阐述了在实际反馈控制系统中不可或缺的PID控制方法、控制系统中必不可少的传感器和驱动器的基础知识等。
在学习机械工程控制理论的基本知识方面，三角函数和拉普拉斯变换等是非常方便的工具，也是一定会用到的。所以，本书按照具有高中毕业程度数学知识的人也能够读懂的原则进行编写，并使用插图进行解释说明。希望本书的读者至少能够对机械控制技术产生兴趣。
最后，在本书的出版过程中，笔者得到了欧姆出版社的各位的帮助，在此由衷地向他们表示感谢。

作者 
2006 年8 月

该书从机械工程控制的基础理论入手，通过图解的形式，描述了拉普拉斯变换、典型环节传递函数的分析方法、反馈控制、控制系统的结构图、瞬态响应、频率响应等。该书理念先进，形式活泼，图文并茂，通俗易懂。书中每个知识点后面都设有例题，并给出了题目分析和解答的详细步骤，易于理解。每章后还附有习题，书后有习题解答，可供读者巩固学习和参考之用。
本书适合普通本科非机械类、高职机械类专业的学生阅读，也适合对相关知识感兴趣的自学者阅读。

第1章　机械工程控制概述
1.1　控制的必要性 2
1.2　机械自动控制的类型 4
1.3　顺序控制 8
1.4　反馈控制 12
习题 16

第2章　机械控制系统的分析方法
2.1　线性和非线性 18
2.2　叠加原理和应用 20
2.3　拉普拉斯变换的定义和计算方法 22
2.4　拉普拉斯变换的基本定理 24
2.5　拉普拉斯逆变换的定义 28
2.6　时域t 向频域s 的变换 30
2.7　频域s 向时域t 的转换 35
2.8　传递函数 41
习题 43

第3章　典型环节的传递函数
3.1　机械模型化的典型元件 46
3.2　比例环节的传递函数 50
3.3　积分环节的传递函数 52
3.4　微分环节的传递函数 54
3.5　惯性环节的传递函数 56
3.6　振荡环节的传递函数 58
3.7　滞后环节的传递函数和小结 60
习题 64

第4章　方框图
4.1　方框图的基本结构 66
4.2　方框图的基本连接方式 69
4.3　方框图的等效变换和简化 73
4.4　方框图的相关应用示例 78
习题 83

第5章　瞬态响应
5.1　控制环节的响应和输入信号 86
5.2　典型环节的瞬态响应 90
5.3　惯性环节的指数响应 92
5.4　惯性环节的脉冲响应 94
5.5　振荡环节的指数响应 96
5.6　振荡环节的脉冲响应 102
习题106

第6章　频率响应
6.1　频率响应的基本概念 108
6.2　频率响应的表示和伯德图 112
6.3　常见环节的频率响应 116
6.4　惯性环节的频率响应 120
6.5　振荡环节的频率响应 124
6.6　瞬态响应和频率响应的关系 128
习题132

第7章　反馈控制系统
7.1　反馈控制系统的特性 134
7.2　反馈控制系统的性能评价 138
7.3　闭环控制系统的阶跃响应 140
7.4　闭环控制系统的频率响应 142
7.5　反馈控制系统的稳定性 146
7.6　PID控制 148
习题 153

第8章　传感器和驱动器的基础
8.1　输出量的检测和控制对象的驱动 156
8.2　利用电阻变化的传感器 160
8.3　利用产生电动势的传感器 164
8.4　直线运动型驱动器 168
8.5　旋转运动型驱动器 172
习题176

习题参考答案177

附录 200

参考文献210