控制工程基礎(chǔ)

前言

控制工程基礎(chǔ)課程是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)重要的學(xué)科基礎(chǔ)課之一。本課程的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握控制工程的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握控制系統(tǒng)的工作原理、性能要求，熟悉系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建模方法，系統(tǒng)性能的時(shí)域、頻域分析方法；了解控制系統(tǒng)綜合校正的基本概念和方法，為學(xué)習(xí)后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程打下基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)本課程關(guān)鍵是抓住基本思想、基本概念、基本原理和基本方法。本書(shū)是編者在30年教學(xué)和科研工作的基礎(chǔ)上，認(rèn)真總結(jié)同類(lèi)教材的編寫(xiě)經(jīng)驗(yàn)并吸收國(guó)外教材的優(yōu)秀部分編寫(xiě)而成。本書(shū)的具體內(nèi)容包括：第1章，控制工程的基本概念，主要介紹控制系統(tǒng)的工作原理、組成、分類(lèi)、基本性能要求等；第2章，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，主要介紹系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的列寫(xiě)方法，傳遞函數(shù)的概念、性質(zhì)及其求取方法，典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)的圖解方法，控制系統(tǒng)的幾個(gè)重要傳遞函數(shù)等；第3章，控制系統(tǒng)的時(shí)域分析，主要介紹時(shí)間響應(yīng)的概念及組成，系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念及其物理意義，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件和時(shí)域判據(jù)，一階、二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析、時(shí)域性能指標(biāo)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的概念及其計(jì)算方法等；第4章，控制系統(tǒng)的頻域分析，主要介紹頻率響應(yīng)、頻率特性的基本概念及其物理意義，頻率特性的乃奎斯特圖和伯德圖兩種圖解方法，以及頻域性能指標(biāo)、穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)誤差的頻域分析；第5章，控制系統(tǒng)的校正，主要介紹校正的概念，常用校正方法，系統(tǒng)校正設(shè)計(jì)等；第6章，離散控制系統(tǒng)初步，主要介紹離散控制系統(tǒng)的基本概念、z變換、脈沖傳遞函數(shù)和離散系統(tǒng)的性能分析等，沒(méi)有涉及離散系統(tǒng)的校正與設(shè)計(jì)；第7章，現(xiàn)代控制理論簡(jiǎn)介，主要介紹狀態(tài)、狀態(tài)變量、動(dòng)態(tài)方程等概念，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程的建立，動(dòng)態(tài)方程求解、狀態(tài)反饋和輸出反饋、極點(diǎn)配置、最優(yōu)控制等。讀者在學(xué)習(xí)了前3章和第5章之后，已經(jīng)掌握了控制工程的基礎(chǔ)知識(shí)，以后的學(xué)習(xí)主要是方法（包括數(shù)學(xué)工具）的改變、研究領(lǐng)域的改變和研究對(duì)象的變化，如從時(shí)域研究進(jìn)入頻域、連續(xù)系統(tǒng)變?yōu)殡x散系統(tǒng)等，分析研究的基本內(nèi)容仍然是穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)誤差等問(wèn)題。建議讀者在學(xué)習(xí)過(guò)程中，采用MATLAB語(yǔ)言中的控制工具箱和Simulink圖形仿真工具對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究。本書(shū)由武漢大學(xué)華夏學(xué)院容一鳴任主編，齊洪方任副主編，參加編寫(xiě)人員有汪芳、尚雪梅和鐘巍。由于編者水平所限，書(shū)中缺點(diǎn)甚至錯(cuò)誤在所難免，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　《控制工程基礎(chǔ)》編寫(xiě)的體系以分析方法為主線，符合教學(xué)規(guī)律，好教易學(xué)。全書(shū)共7章：第1章控制工程的基本概念，第2章動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，第3章控制系統(tǒng)的時(shí)域分析，第4章控制系統(tǒng)的頻域分析，第5章控制系統(tǒng)的校正，第6章離散控制系統(tǒng)初步，第7章現(xiàn)代控制理論簡(jiǎn)介?！　　犊刂乒こ袒A(chǔ)》的特點(diǎn)是：不追求嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，以基本概念、基本原理和基本方法為主要內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)基本概念的物理意義，基本原理的闡述和基本方法的掌握。每章有較多的例題，并附有較多的思考題和習(xí)題?！　　犊刂乒こ袒A(chǔ)》適用于機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、材料成型與控制工程、車(chē)輛工程、交通運(yùn)輸工程等機(jī)械類(lèi)或相關(guān)專(zhuān)業(yè)的教材，也可供有關(guān)科技人員參考。

書(shū)籍目錄

第1章 控制工程的基本概念1.1 系統(tǒng)與控制系統(tǒng)1.2 控制系統(tǒng)的基本概念1.3 控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型1.4 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1.5 控制工程發(fā)展概況1.6 控制工程的主要任務(wù)思考題與習(xí)題第2章 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.1 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的建立2.2 拉普拉斯積分變換2.3 傳遞函數(shù)2.4 系統(tǒng)方框圖2.5 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.6 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導(dǎo)舉例思考題與習(xí)題第3章 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析3.1 控制系統(tǒng)的時(shí)問(wèn)響應(yīng)3.2 線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析3.3 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析3.4 控制系統(tǒng)的誤差分析思考題與習(xí)題第4章 控制系統(tǒng)的頻域分析4.1 頻率響應(yīng)與頻率特性4.2 頻率特性的圖示法——奈魁斯特圖和伯德圖4.3 典型環(huán)節(jié)的頻率特性4.4 控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性4.5 閉環(huán)的頻率特性4.6 頻域穩(wěn)定性判據(jù)與穩(wěn)定性分析4.7 頻域指標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系4.8 開(kāi)環(huán)頻率特性與時(shí)域響應(yīng)的關(guān)系思考題與習(xí)題第5章 控制系統(tǒng)的校正5.1 控制系統(tǒng)校正的概念5.2 串聯(lián)校正常用裝置5.3 頻域法串聯(lián)校正5.4 局部反饋校正與復(fù)合校正5.5 PID控制規(guī)律思考題與習(xí)題第6章 離散控制系統(tǒng)初步6.1 離散控制系統(tǒng)概述6.2 連續(xù)信號(hào)的采樣與恢復(fù)6.3 z變換6.4 采樣控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型6.5 采樣控制系統(tǒng)的性能分析思考題與習(xí)題第7章 現(xiàn)代控制理論簡(jiǎn)介7.1 概述7.2 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式7.3 狀態(tài)反饋與輸出反饋7.4 最優(yōu)控制思考題與習(xí)題附錄1 自然響應(yīng)和諧振現(xiàn)象附錄2 頻率特性的數(shù)學(xué)證明參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：控制科學(xué)與工程是一門(mén)研究自動(dòng)控制的理論、方法、技術(shù)及其工程應(yīng)用的學(xué)科。它是20世紀(jì)最重要的科學(xué)理論和成就之一?？刂评碚摪üこ炭刂普?、生物控制論、經(jīng)濟(jì)控制論和社會(huì)控制論，它應(yīng)用于政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)各領(lǐng)域。控制理論不僅是一門(mén)極為重要的學(xué)科，而且也是現(xiàn)代科學(xué)方法論的重要內(nèi)容之一?？刂乒こ袒A(chǔ)是控制科學(xué)與工程的入門(mén)課程，主要闡述經(jīng)典控制理論的主要內(nèi)容和應(yīng)用，其理論基礎(chǔ)是工程控制論。自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防乃至日常生活和社會(huì)科學(xué)的許多領(lǐng)域。例如，數(shù)控機(jī)床按照預(yù)先編制好的程序加工零件；雷達(dá)自動(dòng)跟蹤空中的飛行器；微波爐、洗衣機(jī)、空調(diào)等家用電器按人們的要求進(jìn)行服務(wù)等，所有這些都離不開(kāi)自動(dòng)控制技術(shù)。自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不僅可以改善人們的工作條件，降低人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，而且在人類(lèi)征服自然、探知未來(lái)、建設(shè)高度文明的社會(huì)等方面有著重要的意義。隨著科學(xué)技術(shù)、國(guó)防事業(yè)的發(fā)展及人們生活水平的提高，自動(dòng)控制技術(shù)所起的作用越來(lái)越重要，自動(dòng)控制技術(shù)本身也將得到進(jìn)一步發(fā)展。1.1 系統(tǒng)與控制系統(tǒng)本節(jié)介紹系統(tǒng)和系統(tǒng)的組成要素，控制和控制系統(tǒng)的概念，以及輸入信號(hào)和輸出信號(hào)等概念。1.1.1 系統(tǒng)的概念系統(tǒng)是由若干相互作用和相互依存的事物組合而成的、具有特定功能的整體。在工程領(lǐng)域，系統(tǒng)可以是電的、機(jī)械的、液壓的、氣動(dòng)的、熱力學(xué)的、生物醫(yī)學(xué)的，或者這些系統(tǒng)的某種組合。在實(shí)際工程中，系統(tǒng)一般可以定義為：任何一組存在某種因果關(guān)系的物理元件。系統(tǒng)不可能獨(dú)立存在，系統(tǒng)與外界環(huán)境總是相互作用的。外界環(huán)境施加于系統(tǒng)的作用稱(chēng)為系統(tǒng)的輸入或激勵(lì)、原因，而將要求系統(tǒng)完成的功能稱(chēng)為系統(tǒng)的輸出響應(yīng)、效果。通常，輸入和輸出都是物理變量，例如，溫度、壓力、液位、電壓、位移、速度等。

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