控制工程基礎(chǔ)

前言

　　本書是高等學(xué)校機械工程及自動化（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?！　”緯窃诰幷邘资杲虒W(xué)和科研工作的基礎(chǔ)上，總結(jié)編寫同類教材的經(jīng)驗并吸取國內(nèi)外有關(guān)本課程領(lǐng)域內(nèi)最新的教學(xué)和科研成就，精心組織編寫而成。具體內(nèi)容包括：控制系統(tǒng)的基本概念，數(shù)學(xué)模型，時域、頻域和狀態(tài)空間分析法，系統(tǒng)設(shè)計和校正，線性離散系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的應(yīng)用和分析以及附錄等?！　”緯诰帉戇^程中，始終貫徹少而精、系統(tǒng)性和學(xué)以致用的原則，著重考慮了以下幾個方面：　?。?）淡化經(jīng)典控制與現(xiàn)代控制的界限，把兩者有機地結(jié)合起來；主要介紹基本概念、基本原理和基本方法，突出方法論?！　。?）重點闡述共性問題，符合拓寬專業(yè)口徑和增強培養(yǎng)人才適應(yīng)性的需要；采用啟發(fā)式編寫方法，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力?！　。?）不苛求嚴格的數(shù)學(xué)推證，從比較直觀的物理概念出發(fā)提出問題、分析問題和解決問題?！　。?）特別重視工程應(yīng)用。書中除每章附有較多機、電、液、氣方面的例題外，還專門辟出一章介紹和分析控制理論在工程中應(yīng)用的成功實例?！　。?）全書取材新穎，舍棄陳舊的內(nèi)容。盡量采用MATLAB等先進的分析和計算軟件，使工程應(yīng)用真正落到實處?！　。?）編寫體系符合教學(xué)規(guī)律，好教易學(xué)。論述上深入淺出，層次分明，推理清楚，簡單明了。每章配備經(jīng)過精選的習(xí)題，書末附有參考答案?！　”緯m用于普通工科院校機械類各專業(yè)，也適用于其它各類成人高校、職業(yè)技術(shù)學(xué)院、電大、自學(xué)考試有關(guān)專業(yè)，并可供從事自動控制和控制工程的科技工作者參考?！　”緯赏醴e偉、吳振順任主編。參加本書編寫的有：東南大學(xué)王積偉（第1、2章，附錄A和E），北京科技大學(xué)呂衛(wèi)陽（第3章），天津大學(xué)王樹新（第4章），哈爾濱理工大學(xué)王振波（第5章），哈爾濱工業(yè)大學(xué)吳振順（第6、7章，附錄B、C、D），東北大學(xué)張健成（第8章）。全書由王積偉修改定稿?！　”緯晌靼步煌ù髮W(xué)博士生導(dǎo)師何鉞教授主審。參加審稿的還有清華大學(xué)騰云鶴教授、北京工業(yè)大學(xué)薛文賢教授等。他們對本書提出了許多寶貴意見和建議。哈爾濱工業(yè)大學(xué)李松晶博士提供了第6、7章的習(xí)題和參考答案。在此一并表示衷心的感謝?！　∮捎诰幷咚剿?，書中難免有不少缺點和錯誤，懇請廣大讀者批評指正。

內(nèi)容概要

　　《控制工程基礎(chǔ)》是高等學(xué)校機械工程及自動化（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。《控制工程基礎(chǔ)》共分8章：第1章控制系統(tǒng)的基本概念，第2章數(shù)學(xué)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)，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(xí)題，附錄E有習(xí)題參考答案。《控制工程基礎(chǔ)》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(xué)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MATLAB等先進軟件分析和設(shè)計系統(tǒng)；編寫體系符合教學(xué)規(guī)律，好教易學(xué)；傳授科學(xué)知識與培養(yǎng)創(chuàng)新能力并重。

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(xí)題第2章 數(shù)學(xué)模型2.1 控制系統(tǒng)的運動微分方程2.1.1 建立數(shù)學(xué)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)方框圖和信號流圖2.4.1 系統(tǒng)方框圖2.4.2 系統(tǒng)方框圖的簡化2.4.3 系統(tǒng)信號流圖和梅森公式2.4.4 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.5 非線性數(shù)學(xué)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(xué)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(dǎo)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(xí)題一第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 時域特性的計算機輔助分析習(xí)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)的頻率特性圖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)頻率特性圖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 頻域特性的計算機輔助分析4.8.1 用MATLAB作開環(huán)頻率特性曲線4.8.2 用MATLAB作閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線習(xí)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5.2.2 PI控制5.2.3 PD控制5.2.4 PID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(fù)合校正5.5.1 并聯(lián)校正(反饋校正)5.5.2 復(fù)合校正習(xí)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(fù)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[z]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控制器及其校正習(xí)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)方框圖直接列寫狀態(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)不含未來值時線性離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程及輸出方程7.3.2 作用函數(shù)含未來值時線性離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程及輸出方程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 基于連續(xù)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 MATLAB與SIMULINK在連續(xù)系統(tǒng)分析中的應(yīng)用7.6 SIMULINK在離散系統(tǒng)分析中的應(yīng)用7.6.1 基于狀態(tài)差分方程的時域特性分析7.6.2 基于離散系統(tǒng)方框圖的時域特性分析7.7 用MATLAB轉(zhuǎn)換系統(tǒng)模型習(xí)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 電壓一轉(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 習(xí)題參考答案參考文獻

章節(jié)摘錄

　　開環(huán)控制系統(tǒng)用一定輸入量產(chǎn)生一定的輸出量，如果由于某種干擾作用使輸出量偏離原始值，它沒有自動糾偏的能力。要進行補償，必須再借助人工改變輸入量。所以開環(huán)系統(tǒng)的控制精度較低。但是如果組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，而且外界的干擾也比較小，則這種控制系統(tǒng)也可以保證一定的精度。開環(huán)控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，一般都能穩(wěn)定可靠地工作，因此對于要求不高的系統(tǒng)可以采用?！　?．閉環(huán)控制系統(tǒng)　　如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產(chǎn)生直接影響，這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。這里，閉環(huán)的作用就是應(yīng)用反饋來減少偏差。因此，反饋控制系統(tǒng)必是閉環(huán)控制系統(tǒng)。例如，前述的恒溫箱溫度自動控制系統(tǒng)就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)?！　￠]環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點是控制精度高，不管遇到什么干擾，只要被控制量的實際值偏離給定值，閉環(huán)控制就會產(chǎn)生控制作用來減小這一偏差。　　閉環(huán)控制系統(tǒng)也有它的缺點，這類系統(tǒng)是靠偏差進行控制的，因此，在整個控制過程中始終存在著偏差，由于元件的慣性（如負載的慣性），若參數(shù)配置不當，很容易引起振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，而無法工作。所以，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中精度和穩(wěn)定性之間總存在著矛盾，必須合理地解決?！　?．半閉環(huán)控制系統(tǒng)　　如果控制系統(tǒng)的反饋信號不是直接從系統(tǒng)的輸出端引出，而是間接地取自中間的測量元件，例如在數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)中，若將位置檢測裝置安裝在傳動絲杠的端部，間接測量工作臺的實際位移，則這種系統(tǒng)稱為半閉環(huán)控制系統(tǒng)?！　“腴]環(huán)控制系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)更高的控制精度，但比閉環(huán)系統(tǒng)要低；與閉環(huán)系統(tǒng)相比，它易于實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。目前大多數(shù)數(shù)控機床都采用這種半閉環(huán)控制進給伺服系統(tǒng)。

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