控制工程基礎(chǔ)

前言

控制工程基礎(chǔ)課程是機(jī)械類專業(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，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)同類教材的編寫經(jīng)驗并吸收國外教材的優(yōu)秀部分編寫而成。本書的具體內(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、基本性能要求等；第2章，動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，主要介紹系統(tǒng)運(yùn)動微分方程的列寫方法，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)的幾個重要傳遞函數(shù)等；第3章，控制系統(tǒng)的時域分析，主要介紹時間響應(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域判據(jù)，一階、二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析、時域性能指標(biāo)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的概念及其計算方法等；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，沒有涉及離散系統(tǒng)的校正與設(shè)計；第7章，現(xiàn)代控制理論簡介，主要介紹狀態(tài)、狀態(tài)變量、動態(tài)方程等概念，系統(tǒng)動態(tài)方程的建立，動態(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，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)域的改變和研究對象的變化，如從時域研究進(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、動態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)誤差等問題。建議讀者在學(xué)習(xí)過程中，采用MATLAB語言中的控制工具箱和Simulink圖形仿真工具對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究。本書由武漢大學(xué)華夏學(xué)院容一鳴任主編，齊洪方任副主編，參加編寫人員有汪芳、尚雪梅和鐘巍。由于編者水平所限，書中缺點(diǎn)甚至錯誤在所難免，懇請讀者批評指正。

內(nèi)容概要

　　《控制工程基礎(chǔ)》編寫的體系以分析方法為主線，符合教學(xué)規(guī)律，好教易學(xué)。全書共7章：第1章控制工程的基本概念，第2章動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，第3章控制系統(tǒng)的時域分析，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)計制造及其自動化、材料成型與控制工程、車輛工程、交通運(yùn)輸工程等機(jī)械類或相關(guān)專業(yè)的教材，也可供有關(guān)科技人員參考。

書籍目錄

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)的基本類型1.4 對控制系統(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 動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.1 動態(tài)系統(tǒng)運(yùn)動微分方程的建立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)的時域分析3.1 控制系統(tǒng)的時問響應(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)與時域指標(biāo)的關(guān)系4.8 開環(huán)頻率特性與時域響應(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)與工程是一門研究自動控制的理論、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こ炭刂普摗⑸锟刂普?、經(jīng)濟(jì)控制論和社會控制論，它應(yīng)用于政治、經(jīng)濟(jì)、社會各領(lǐng)域?？刂评碚摬粌H是一門極為重要的學(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。自動控制技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防乃至日常生活和社會科學(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，所有這些都離不開自動控制技術(shù)。自動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不僅可以改善人們的工作條件，降低人們的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，而且在人類征服自然、探知未來、建設(shè)高度文明的社會等方面有著重要的意義。隨著科學(xué)技術(shù)、國防事業(yè)的發(fā)展及人們生活水平的提高，自動控制技術(shù)所起的作用越來越重要，自動控制技術(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，以及輸入信號和輸出信號等概念。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)的作用稱為系統(tǒng)的輸入或激勵、原因，而將要求系統(tǒng)完成的功能稱為系統(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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