控制工程基礎(chǔ)

前言

本書為普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，是為適應(yīng)普通高等工科院校《控制工程基礎(chǔ)》課程48-56學(xué)時(shí)教學(xué)需要而編寫的。編者總結(jié)了多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并參考了國(guó)內(nèi)外同類教材和其他有關(guān)文獻(xiàn)，在原教材《控制工程基礎(chǔ)》一書的基礎(chǔ)上進(jìn)行了重新修訂，并增加了控制系統(tǒng)的根軌跡分析的內(nèi)容。全書編寫力求貫徹緊密結(jié)合工程實(shí)際、堅(jiān)持少而精的原則，以經(jīng)典控制理論為主線，著重闡述控制系統(tǒng)的基本概念、基本組成、反饋控制原理；控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及應(yīng)用；控制系統(tǒng)的性能要求及分析方法；離散控制系統(tǒng)的性能要求及分析方法；控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助分析方法等。本教材在編寫過(guò)程中，突出了以下特色。1.全書精心組織了一個(gè)循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)示例——具有速度負(fù)反饋的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，將它貫穿于教材的始終，結(jié)合每章的主要理論和方法，一步一步揭示了如何進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。這有利于幫助學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)控制理論、建立系統(tǒng)工程概念、提高應(yīng)用控制理論分析和設(shè)計(jì)實(shí)際控制系統(tǒng)的能力。2.全書每一章安排一節(jié)用MATLAB交互式軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助分析，這有利于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力。3.教材編寫體系符合教學(xué)規(guī)律，不苛求嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推證，從直觀的物理概念出發(fā)提出問題、分析問題和解決問題，論述上深入淺出，層次分明，易教易學(xué)。全書共分八章，第一章主要介紹控制系統(tǒng)的基本原理、分類和對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求；第二章和第三章主要介紹控制系統(tǒng)的微分方程、傳遞函數(shù)、頻率特性三種形式數(shù)學(xué)模型的基本概念、建立方法及其求解分析過(guò)程；第四章和第五章主要介紹控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和時(shí)間響應(yīng)分析；第六章主要介紹控制系統(tǒng)的根軌跡分析；第七章主要介紹控制系統(tǒng)的綜合與校正；第八章主要介紹離散控制系統(tǒng)分析與校正。本書由河北工業(yè)大學(xué)王建民教授任主審，高鐵紅、曲云霞任主編，天津工業(yè)大學(xué)貪今天、河北工業(yè)大學(xué)張家祺任副主編。參加本書編寫的還有河北工業(yè)大學(xué)魏智、邱瑛、王濤、徐安平、王陽(yáng)、管嘯天，天津工業(yè)大學(xué)戚江波、北華航天工業(yè)學(xué)院董旭等。對(duì)于本版中存在的錯(cuò)誤和不妥之處，真誠(chéng)希望廣大讀者提出批評(píng)指正和修改意見。

內(nèi)容概要

本書是為適應(yīng)普通高等工科院?！犊刂乒こ袒A(chǔ)》課程教學(xué)需要而編寫的。書中系統(tǒng)介紹了經(jīng)典控制理論及其應(yīng)用，著重闡述了連續(xù)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立及應(yīng)用時(shí)域法和頻域法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與校正，對(duì)離散控制系統(tǒng)的分析與校正也做了較為系統(tǒng)的闡述。全書內(nèi)容主要包括控制系統(tǒng)的基本概念、數(shù)學(xué)模型、頻率特性分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、時(shí)間響應(yīng)分析、根軌跡分析、系統(tǒng)校正、離散控制系統(tǒng)分析與校正、應(yīng)用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助分析等?！　”緯勺鳛楦叩裙た圃盒C(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化、機(jī)械電子工程、測(cè)控技術(shù)與儀器、車輛工程等專業(yè)的教科書，也可供有關(guān)科技人員參考。

書籍目錄

第一章　緒論　第一節(jié)　概述　第二節(jié)　控制系統(tǒng)的基本概念　第三節(jié)　控制系統(tǒng)的基本類型　第四節(jié)　對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求　第五節(jié)　循序漸進(jìn)學(xué)習(xí)示例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)　習(xí)題第二章　控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型　第一節(jié)　數(shù)學(xué)模型概述　第二節(jié)　物理系統(tǒng)的微分方程　第三節(jié)　傳遞函數(shù)及典型環(huán)節(jié)　傳遞函數(shù)　第四節(jié)　控制系統(tǒng)的方框圖及其等效變換　第五節(jié)　反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)　第六節(jié)　循序漸進(jìn)學(xué)習(xí)示例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)　第七節(jié)　利用MATLAB繪制零一極點(diǎn)分布圖　習(xí)題第三章　頻率特性　第一節(jié)　概述　第二節(jié)　幅相頻率特性圖——奈奎斯特(Nyquist)圖　第三節(jié)　對(duì)數(shù)頻率特性圖——波德(Bode)圖　第四節(jié)　頻率特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定法　第五節(jié)　系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性簡(jiǎn)介　第六節(jié)　循序漸進(jìn)學(xué)習(xí)示例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)　第七節(jié)　利用MATLAB繪制頻率特性圖　習(xí)題第四章　控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析　第一節(jié)　概述　第二節(jié)　代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)　第三節(jié)　奈奎斯特頻率穩(wěn)定性判據(jù)　第四節(jié)　對(duì)數(shù)頻率穩(wěn)定性判據(jù)　第五節(jié)　控制系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性　第六節(jié)　循序漸進(jìn)學(xué)習(xí)示例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)　第七節(jié)　利用MATLAB分析系統(tǒng)穩(wěn)定性　習(xí)題第五章　控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)誤差分析　第一節(jié)　概述　第二節(jié)　一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)　第三節(jié)　二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)　第四節(jié)　二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)分析　第五節(jié)　高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)　第六節(jié)　穩(wěn)態(tài)誤差　第七節(jié)　循序漸進(jìn)學(xué)習(xí)示例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)　第八節(jié)　利用MATLAB分析控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及性能　習(xí)題第六章　控制系統(tǒng)的根軌跡分析　第一節(jié)　概述　第二節(jié)　根軌跡繪制的基本法則　第三節(jié)　‘控制系統(tǒng)的根軌跡分析　第四節(jié)　循序漸進(jìn)學(xué)習(xí)示例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)　第五節(jié)　利用MATLAB進(jìn)行控制系統(tǒng)根軌跡繪制　習(xí)題第七章　控制系統(tǒng)的綜合與校正　第一節(jié)　概述　第二節(jié)　常用校正裝置及其特性　第三節(jié)　控制系統(tǒng)串聯(lián)校正舉例　第四節(jié)　并聯(lián)校正　第五節(jié)　循序漸進(jìn)學(xué)習(xí)示例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)．　第六節(jié)　利用MATLAB進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)　習(xí)題第八章　離散控制系統(tǒng)分析與校正　第一節(jié)　概述　第二節(jié)　采樣過(guò)程與采樣定理　第三節(jié)　z變換和z反變換　第四節(jié)　離散控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型　第五節(jié)　離散控制系統(tǒng)的性能分析　第六節(jié)　離散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正　第七節(jié)　利用MATLAB設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)　習(xí)題附錄　拉普拉斯變換與反變換參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第二次世界大戰(zhàn)以后，反饋控制系統(tǒng)不僅局限在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，而且在民用生產(chǎn)部門的應(yīng)用激增，許多工程設(shè)計(jì)方法和理論研究更加完善?？刂普摰挠^點(diǎn)和方法已經(jīng)滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空和空間技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及生產(chǎn)管理、生物工程、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。我國(guó)學(xué)者錢學(xué)森從控制論這一總題目中，把已被當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)和工程實(shí)踐所證明的部分分離出來(lái)，創(chuàng)立了“工程控制論”，并于1954年出版了《工程控制論》這一名著，這對(duì)控制理論的發(fā)展與應(yīng)用起到了很大的推動(dòng)作用。20世紀(jì)50年代末與60年代初，一方面由于工業(yè)生產(chǎn)、火箭和空間技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多變量、非線性和時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論已經(jīng)不能滿足要求；另一方面由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，半導(dǎo)體和電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，各種傳感器和自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使控制理論發(fā)展到了一個(gè)新階段，從而產(chǎn)生了現(xiàn)代控制理論?，F(xiàn)代控制理論主要是在時(shí)間域內(nèi)利用狀態(tài)空間理論來(lái)研究和解決多輸入一多輸出、非線性、時(shí)變系統(tǒng)的最優(yōu)控制等問題。近年來(lái)，控制理論在同有關(guān)學(xué)科（例如，模糊數(shù)學(xué)、分形幾何、分叉與混沌、灰色理論、人工智能、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等）的交叉、滲透與結(jié)合中不斷發(fā)展，在魯棒控制、控制、最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、智能控制等方面又有重大進(jìn)展。自從20世紀(jì)60年代以來(lái)控制理論在機(jī)械工程領(lǐng)域及諸多工程領(lǐng)域中得到了越來(lái)越廣泛、深人的應(yīng)用，在機(jī)域工程領(lǐng)域，如數(shù)控機(jī)床、數(shù)控加工中心的伺服系統(tǒng)的建立和分析，多臺(tái)計(jì)算機(jī)控制設(shè)備、柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、機(jī)器人、微細(xì)加工、電氣液壓伺服系統(tǒng)、光機(jī)電一體化系統(tǒng)、機(jī)床動(dòng)態(tài)特性分析、動(dòng)態(tài)測(cè)試、汽車懸掛減震系統(tǒng)：駕駛操縱控制系統(tǒng)、引擎控制系統(tǒng)等；在其他工程領(lǐng)域，如電力工業(yè)能量的儲(chǔ)存、控制和傳輸，冶金工業(yè)對(duì)溫度、板材的厚度、寬度、質(zhì)量控制，化工領(lǐng)域?qū)囟取毫刂频?，所有這一切都和控制理論的發(fā)展息息相關(guān)。當(dāng)前機(jī)械工程的一個(gè)新的發(fā)展方向是以整體為最佳目標(biāo)，以自動(dòng)控制為核心，運(yùn)用控制理論、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及機(jī)械工程等學(xué)科方面的理論和技術(shù)，發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)，提高生產(chǎn)效能、質(zhì)量并推出更好的柔性和更高的自主性的機(jī)電一體化的產(chǎn)品及生產(chǎn)過(guò)程。解決上述問題的基礎(chǔ)之一就是必須具備堅(jiān)實(shí)的控制理論基礎(chǔ)，以控制理論作指導(dǎo)解決工程中的實(shí)際問題?？刂乒こ套鳛橐婚T技術(shù)科學(xué)，它主要是研究控制理論及其在機(jī)械工程領(lǐng)域和其他工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。本書主要介紹經(jīng)典控制理論的基本內(nèi)容，重點(diǎn)是其中的線性連續(xù)控制理論及其在機(jī)械工程領(lǐng)域分析、設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展及其在控制工程領(lǐng)域的廣泛深入的應(yīng)用，本書以適當(dāng)?shù)钠榻B了計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)即離散系統(tǒng)的有關(guān)內(nèi)容，并在各章后面編人了應(yīng)用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助分析內(nèi)容。學(xué)習(xí)本門學(xué)科應(yīng)以新的視角分析和考慮問題。因?yàn)?，控制理論不僅是一門重要的學(xué)科，而且也是重要的科學(xué)方法論。它研究的對(duì)象是一個(gè)“系統(tǒng)”，并且這個(gè)系統(tǒng)不斷地運(yùn)動(dòng)，即系統(tǒng)不斷地經(jīng)歷著動(dòng)態(tài)歷經(jīng)過(guò)程。系統(tǒng)不斷地通過(guò)信息的傳遞、加工處理并利用反饋來(lái)進(jìn)行控制，這就是前述的控制理論的中心思想。因此，學(xué)習(xí)本門課程要能以系統(tǒng)的而不是孤立的、動(dòng)態(tài)的而不是靜態(tài)的觀點(diǎn)和方法來(lái)思考和解決問題，掌握控制理論的基本概念、基本理論和基本方法并注意結(jié)合實(shí)際，為解決工程中的控制問題打下基礎(chǔ)。

編輯推薦

《控制工程基礎(chǔ)(第2版)》：普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材

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