控制工程基礎(chǔ)

前言

本書第二版是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材，機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)系列教材之一，也是教育部新世紀網(wǎng)絡(luò)課程的主要參考書。本書第一版自2001年出版以來，受到讀者普遍歡迎，先后重印14次，被眾多高等院校選為教材，并用作考研主要參考書。近幾年來，控制理論的工程應(yīng)用越來越廣泛，教育改革越來越深入，對控制工程基礎(chǔ)課程教材的要求越來越高，而且MATLAB與SIMUL,INK軟件的使用越來越普及。因此，在這種背景下對本書進行一次全面修訂是適時和必要的。本次教材修訂工作是在總結(jié)作者和一線授課教師多年來教學經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合使用本書讀者的意見與建議，借鑒同類優(yōu)秀教材的長處而展開的。修訂工作的思路和做法如下：1）考慮到教材的連貫性和讀者的使用習慣，本次修訂盡可能保持原有特色和風格。全書的編排體系、章節(jié)和習題基本不變，僅根據(jù)教學要求作些微調(diào)。2）按照由淺入深、循序漸進的教學規(guī)律，根據(jù)不同學時的教學要求，采取標注“*”的辦法，分40和60兩種不同講課學時安排教學內(nèi)容，使教材更加好教易學（標注“*”的章節(jié)供60講課學時專業(yè)或?qū)W生自學使用）。但是仍保持各自教學的系統(tǒng)性和完整性。3）對教材進行全面梳理，刪除一些陳舊的內(nèi)容和提法。在相應(yīng)章節(jié)中增加了MATI.AB與SIMULINK軟件在控制工程中應(yīng)用的實例，使控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計更直觀、更簡便、更精確。4）對書中的插圖進行全面審查和清理，更正了第一版中的錯誤，并使其更加規(guī)范化。本次教材修訂工作由王積偉和吳振順完成。由于作者水平和時間所限，書中仍難免存在錯誤和不妥之處，繼續(xù)懇請廣大讀者不吝指正。

內(nèi)容概要

　　全書共分8章：第1章控制系統(tǒng)的基本概念，第2章數(shù)學模型，第3章時域分析法，第4章頻域分析法，第5章控制系統(tǒng)的設(shè)計和校正，第6章線性離散系統(tǒng)與Z變換，第7章狀態(tài)空間分析法，第8章控制系統(tǒng)的應(yīng)用和分析。書末附有5個附錄。每章附有習題，附錄E有習題參考答案?！　　犊刂乒こ袒A(chǔ)（第2版）》的特點是：淡化經(jīng)典控制與現(xiàn)代控制的界限，突出方法論；重點闡述共性問題，適應(yīng)拓寬專業(yè)口徑的需要；不苛求嚴格的數(shù)學推證，從直觀的物理概念出發(fā)分析問題、解決問題；特別重視工程應(yīng)用，除每章附有較多機、電、液、氣方面的例題外，還專辟一章介紹控制理論在工程中應(yīng)用的成功實例；取材新穎，采用MATI.AB與SIMULINK等先進軟件分析和設(shè)計系統(tǒng)；編寫體系符合教學規(guī)律，好教易學；傳授科學知識與培養(yǎng)創(chuàng)新能力并重?！　　犊刂乒こ袒A(chǔ)（第2版）》可作為高等學校機械類專業(yè)控制工程基礎(chǔ)課程的教材，也可供有關(guān)工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章 控制系統(tǒng)的基本概念1.1 控制系統(tǒng)的工作原理及其組成1.1.1 工作原理1.1.2 開環(huán)控制和閉環(huán)控制1.1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成1.2 控制系統(tǒng)的基本類型1.2.1 按輸入量的特征分類1.2.2 按系統(tǒng)中傳遞信號的性質(zhì)分類1.3 對控制系統(tǒng)的基本要求1.4 控制工程發(fā)展概況習題第2章 數(shù)學模型2.1 控制系統(tǒng)的運動微分方程2.1.1 建立數(shù)學模型的一般步驟2.1.2 控制系統(tǒng)微分方程的列寫2.2 拉氏變換和反變換2.2.1 拉氏變換的定義2.2.2 幾種典型函數(shù)的拉氏變換2.2.3 拉氏變換的主要定理2.2.4 拉氏反變換2.2.5 應(yīng)用拉氏變換求解線性微分方程2.3 傳遞函數(shù)2.3.1 傳遞函數(shù)的概念和定義2.3.2 特征方程、零點和極點2.3.3 關(guān)于傳遞函數(shù)的幾點說明2.3.4 典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)2.4 系統(tǒng)框圖和信號流圖2.4.1 系統(tǒng)框圖2.4.2 系統(tǒng)框圖的簡化2.4.3 系統(tǒng)信號流圖和梅森公式標有“*”的章 節(jié)供60講課學時專業(yè)或?qū)W生自學使用2.4.4 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.5 非線性數(shù)學模型的線性化2.5.1 線性化問題的提出2.5.2 非線性數(shù)學模型的線性化2.5.3 系統(tǒng)線性化微分方程的建立2.6 控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導舉例2.6.1 機械系統(tǒng)2.6.2 液壓系統(tǒng)2.6.3 液位系統(tǒng)2.6.4 機電系統(tǒng)2.6.5 熱力系統(tǒng)習題第3章 時域分析法3.1 典型輸入信號3.2 一階系統(tǒng)的時間響應(yīng)3.2.1 一階慣性環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)3.2.2 一階慣性環(huán)節(jié)的單位速度響應(yīng)3.2.3 一階慣性環(huán)節(jié)的單位脈沖響應(yīng)3.2.4 線性定常系統(tǒng)時間響應(yīng)的性質(zhì)3.3 二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)3.3.1 二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)3.3.2 二階系統(tǒng)的性能指標3.4 高階系統(tǒng)的時間響應(yīng)3.5 誤差分析和計算3.5.1 穩(wěn)態(tài)誤差的基本概念3.5.2 穩(wěn)態(tài)誤差的計算3.5.3 穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)3.5.4 擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差和系統(tǒng)總誤差3.6 穩(wěn)定性分析3.6.1 穩(wěn)定的概念3.6.2 穩(wěn)定的條件3.6.3 勞思穩(wěn)定判據(jù)3.7 基于MATLAB與SIMULINK的時域特性分析3.7.1 基于MATLAB的時域特性分析3.7.2 基于SIMULINK的時域特性分析習題第4章 頻域分析法4.1 頻率特性的基本概念4.1.1 頻率響應(yīng)和頻率特性4.1.2 頻率特性的求取方法4.1.3 頻率特性的圖示方法4.2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性4.2.1 比例環(huán)節(jié)4.2.2 慣性環(huán)節(jié)4.2.3 積分環(huán)節(jié)4.2.4 理想微分環(huán)節(jié)4.2.5 振蕩環(huán)節(jié)4.2.6 一階微分環(huán)節(jié)4.2.7 二階微分環(huán)節(jié)4.2.8 延遲環(huán)節(jié)4.3 系統(tǒng)開環(huán)頻率特性4.3.1 最小相位系統(tǒng)4.3.2 系統(tǒng)開環(huán)尼氏圖的繪制4.3.3 系統(tǒng)開環(huán)博德圖的繪制4.3.4 傳遞函數(shù)實驗確定法4.4 頻域穩(wěn)定性判據(jù)4.4.1 尼奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)4.4.2 對數(shù)頻率特性的穩(wěn)定性判據(jù)4.4.3 穩(wěn)定性裕量4.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)的頻率特性4.5.1 閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性的求取4.5.2 閉環(huán)系統(tǒng)的頻域指標4.6 頻域指標與時域性能指標間的關(guān)系4.6.1 閉環(huán)頻域指標與時域性能指標之間的關(guān)系4.6.2 開環(huán)頻域指標與時域性能指標之間的關(guān)系4.7 用系統(tǒng)開環(huán)頻率特性分析閉環(huán)系統(tǒng)性能4.7.1 低頻段4.7.2 中頻段4.7.3 結(jié)論4.8 基于MATLAB與SIMULINK的頻域特性分析4.8.1 基于MATLAB的頻域特性分析4.8.2 基于SIMULINK的頻域特性分析習題第5章 控制系統(tǒng)的設(shè)計和校正5.1 概述5.2 PID控制規(guī)律5.2.1 P控制(比例控制)5.2.2 PI控制(比例加積分控制)5.2.3 PD控制(比例加微分控制)5.2.4 PID控制(比例加積分加微分控制)5.3 PID控制規(guī)律的實現(xiàn)5.3.1 PD控制規(guī)律的實現(xiàn)5.3.2 PI控制規(guī)律的實現(xiàn)5.3.3 PID控制規(guī)律的實現(xiàn)5.3.4 小結(jié)5.4 頻率法設(shè)計和校正5.4.1 PID校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的確定5.4.2 近似PID校正網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)確定5.5 并聯(lián)校正和復合控制5.5.1 并聯(lián)校正(反饋校正)5.5.2 復合控制5.6 基于MATLAB與SIMULINK的控制系統(tǒng)設(shè)計與校正5．6．1	基于MATLAB的控制系統(tǒng)設(shè)計與校正5.6.2 基于SIMUL1NK的控制系統(tǒng)設(shè)計與校正習題第6章 線性離散系統(tǒng)與z變換6.1 概述6.2 采樣過程與采樣定理6.2.1 采樣過程6.2.2 采樣定理6.2.3 信號恢復6.3 Z變換與Z反變換6.3.1 Z變換6.3.2 Z反變換6.3.3 連續(xù)系統(tǒng)的離散化方程——差分方程6.3.4 用Z變換法求解差分方程6.4 脈沖傳遞函數(shù)6.4.1 脈沖傳遞函數(shù)6.4.2 離散系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)6.4.3 離散系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)6.4.4 閉環(huán)離散系統(tǒng)的過渡過程6.5 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析6.5.1 [s]平面到[=]平面之間的映射6.5.2 線性離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件6.5.3 線性離散系統(tǒng)穩(wěn)定性的判別方法6.6 數(shù)字控制器與離散PID控制6.6.1 數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)6.6.2 離散PID控制器及其校正6.7 基于SIMUIJINK的離散系統(tǒng)時域特性分析習題第7章 狀態(tài)空間分析法7.1 狀態(tài)變量與狀態(tài)空間7.2 連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程及輸出方程7.2.1 由系統(tǒng)微分方程列寫狀態(tài)方程及輸出方程7.2.2 由系統(tǒng)狀態(tài)變量圖列寫狀態(tài)方程及輸出方程7.2.3 由系統(tǒng)框圖直接列寫狀態(tài)方程及輸出方程7.2.4 非線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程及輸出方程7.2.5 時變線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程及輸出方程7.3 離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程及輸出方程7.3.1 作用函數(shù)不合未來值7.3.2 作用函數(shù)含未來值7.4 控制系統(tǒng)狀態(tài)方程的解7.4.1 連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程的解7.4.2 離散系統(tǒng)狀態(tài)方程的解7.4.3 連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程的離散化7.5 系統(tǒng)狀態(tài)方程的計算機輔助分析7.5.1 連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程的數(shù)值積分程序7.5.2 基于MATLAB與SIMULINK的系統(tǒng)狀態(tài)空間分析7.6 基于MATLAB的系統(tǒng)數(shù)學模型轉(zhuǎn)換習題第8章 控制系統(tǒng)的應(yīng)用和分析8.1 帶鋼卷取電液伺服控制系統(tǒng)8.1.1 概述8.1.2 控制系統(tǒng)的組成和工作原理8.1.3 控制系統(tǒng)性能分析8.2 電壓－轉(zhuǎn)角機電伺服控制系統(tǒng)8.2.1 概述8.2.2 控制系統(tǒng)的組成和工作原理8.2.3 控制系統(tǒng)性能分析8.3 仿形刀架機液伺服控制系統(tǒng)8.3.1 概述8.3.2 控制系統(tǒng)的組成和工作原理8.3.3 控制系統(tǒng)性能分析8.4 定量澆注氣動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)8.4.1 概述8.4.2 控制系統(tǒng)的組成和工作原理8.4.3 控制系統(tǒng)性能分析附錄附錄A 常用函數(shù)的拉氏變換和Z變換表附錄B Z變換基本定理附錄C 矩陣運算附錄D 基本的數(shù)值解法附錄E 部分習題參考答案參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：1.2.2 按系統(tǒng)中傳遞信號的性質(zhì)分類1.連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各部分傳遞的信號都是連續(xù)時間變量的系統(tǒng)稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)又有線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)之分。用線性微分方程描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)，不能用線性微分方程描述、存在著非線性部件的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。2.離散控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或數(shù)處的信號是脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)稱為離散控制系統(tǒng)（也稱數(shù)字控制系統(tǒng)）。在離散控制系統(tǒng)中，數(shù)字測量、放大、比較、給定等部件一般均由微處理機實現(xiàn)，計算機的輸出經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換加給伺服放大器，然后再去驅(qū)動執(zhí)行元件；或由計算機直接輸出數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)字放大器后驅(qū)動數(shù)字式執(zhí)行元件。由于連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)的信號形式有較大差別，因此在分析方法上也有明顯的不同。連續(xù)控制系統(tǒng)以微分方程來描述系統(tǒng)的運動狀態(tài)，并用拉氏變換法求解微分方程；而離散系統(tǒng)則用差分方程來描述系統(tǒng)的運動狀態(tài)，用Z變換法引出脈沖傳遞函數(shù)來研究系統(tǒng)的動態(tài)特性。此外，還可按系統(tǒng)部件的物理屬性分為機械、電氣、機電、液壓、氣動、熱力等控制系統(tǒng)。1.3 對控制系統(tǒng)的基本要求控制系統(tǒng)應(yīng)用于不同場合，對它有不同的性能要求。但從控制工程的角度來看，對控制系統(tǒng)卻有一些共同的要求，一般可歸結(jié)為穩(wěn)定、精確、快速。1.穩(wěn)定性由于控制系統(tǒng)都包含儲能元件，若系統(tǒng)參數(shù)匹配不當，便可能引起振蕩。穩(wěn)定性就是指系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復平衡狀態(tài)的能力。對于穩(wěn)定的系統(tǒng)，當輸出量偏離平衡狀態(tài)時，應(yīng)能隨著時間收斂并且最后回到初始的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性乃是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。2.精確性控制系統(tǒng)的精確性即控制精度，一般以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。所謂穩(wěn)態(tài)誤差是指以一定變化規(guī)律的輸入信號作用于系統(tǒng)后，當調(diào)整過程結(jié)束而趨于穩(wěn)定時，輸出量的實際值與期望值之間的誤差值，它反映了動態(tài)過程后期的性能。這種誤差一般是很小的，如普通數(shù)控機床的加工誤差小于0.02mm，一般恒速、恒溫控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差都在給定值的1％以內(nèi)。

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