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控制工程基础
作者：吕卫阳、周敬辉、张亚琼 编
出版社：化学工业出版社
出版时间：2024-01-01
ISBN：9787122437792
定价：¥52.00
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内容简介
本书主要介绍控制系统的基础知识和设计方法。首先介绍了控制系统的基本概念，然后论述了控制系统的微分方程和传递函数等数学模型的建立和等效简化方法。在系统分析方面，主要介绍了控制系统的时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法。在系统设计方面，主要介绍了串联校正技术和PID控制技术。在计算机控制技术方面，简明地论述了连续信号的采样过程和离散系统的数学模型，并介绍了控制系统典型环节和数字PID控制器的程序设计方法。本书还包括MATLAB应用的内容，并在附录中介绍了拉普拉斯变换和z变换的基本理论。本书的主要特点体现在：编写体系符合教学规律，内容精练，重点突出，强调基本概念和基本原理的掌握与应用；适应拓宽专业口径的需要，重点阐述共性问题；从直观的物理概念出发来分析和解决问题，简化或略去艰深的数学推导；考虑到学生的知识基础，论述由浅入深，注重实例分析，便于自学。本书可作为普通高等院校机械类专业控制理论课程的教材，也可供有关工程技术人员参考使用。
作者简介
无
目录
第1章 绪论 1
1.1 控制工程概述 2
1.1.1 控制理论的发展概况 2
1.1.2 控制理论的主要内容 3
1.1.3 控制工程基础的研究对象 3
1.2 控制系统的基本概念 3
1.2.1 控制系统的工作原理 4
1.2.2 开环控制和闭环控制 5
1.2.3 反馈控制系统的基本组成 6
1.3 控制系统的分类 7
1.3.1 按输入信号的变化规律分类 7
1.3.2 按控制系统的数学模型分类 7
1.3.3 按信号处理技术的方法分类 7
1.4 对控制系统的基本要求 8
1.5 自动控制系统举例 8
1.5.1 水位自动控制系统 8
1.5.2 机械式转速控制系统 9
本章小结 9
习题 10
第2章 控制系统的数学模型 12
2.1 控制系统的微分方程 13
2.2 控制系统的传递函数 17
2.2.1 传递函数的定义 17
2.2.2 传递函数的性质 17
2.2.3 传递函数的建立 18
2.3 控制系统的典型环节及其传递函数 18
2.3.1 典型环节的分类及其传递函数 19
2.3.2 常用的反馈控制系统传递函数 21
2.4 传递函数的方块图及其简化运算 23
2.4.1 方块图的组成 23
2.4.2 方块图的建立 23
2.4.3 方块图的简化运算 26
2.4.4 梅逊公式 29
2.5 典型控制系统的数学模型 30
本章小结 31
习题 32
第3章 控制系统的时域分析法 35
3.1 典型输入信号及时域性能指标 36
3.1.1 典型输入信号 36
3.1.2 时域性能指标 38
3.2 一阶系统的时间响应分析 39
3.2.1 一阶系统的数学模型 39
3.2.2 一阶系统的典型时间响应分析 39
3.3 二阶系统的时间响应分析 44
3.3.1 二阶系统的数学模型 44
3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应分析 44
3.3.3 二阶系统的动态性能指标分析 48
3.4 高阶系统的时间响应分析 51
3.5 控制系统的稳定性分析 52
3.5.1 系统稳定性的定义 52
3.5.2 系统稳定的充分必要条件 53
3.5.3 劳斯稳定判据 54
3.6 控制系统的稳态误差分析 58
3.6.1 稳态误差的概念及计算 58
3.6.2 系统的类型 60
3.6.3 稳态误差系数的概念及计算 61
3.6.4 扰动引起的稳态误差计算 64
3.7 应用MATLAB进行控制系统的时域分析 67
本章小结 70
习题 70
第4章 控制系统的根轨迹分析法 73
4.1 根轨迹的基本概念 74
4.1.1 根轨迹的定义 74
4.1.2 根轨迹与系统性能 75
4.1.3 根轨迹方程 75
4.2 根轨迹绘制的基本法则 76
4.3 参量根轨迹 81
4.4 用根轨迹分析系统性能 82
4.4.1 主导极点 82
4.4.2 偶极子 83
4.4.3 系统性能与零、极点的关系 85
4.4.4 系统根迹线的改造 85
本章小结 86
习题 87
第5章 控制系统的频域分析法 89
5.1 频率特性的基本概念 90
5.1.1 频率特性的定义 90
5.1.2 频率特性和传递函数之间的关系 91
5.2 频率特性的几何表示方法 92
5.2.1 幅相频率特性曲线 92
5.2.2 对数频率特性曲线 93
5.3 典型环节的对数频率特性 94
5.3.1 比例环节 94
5.3.2 积分环节 95
5.3.3 微分环节 97
5.3.4 惯性环节 97
5.3.5 一阶微分环节 99
5.3.6 振荡环节 100
5.3.7 二阶微分环节 102
5.4 系统开环频率特性的绘制 103
5.4.1 伯德图绘制的简便方法 104
5.4.2 最小相位系统与非最小相位系统 106
5.5 用频率特性分析系统的稳定性 109
5.5.1 奈奎斯特稳定判据 109
5.5.2 开环稳定系统的对数频率稳定判据 110
5.5.3 稳定裕度与系统的相对稳定性 111
5.5.4 关于相角裕度和幅值裕度的几点说明 115
5.6 用频率特性分析系统的稳态性能 115
5.6.1 系统型别的确定 115
5.6.2 开环放大倍数K的确定 116
5.7 用频率特性分析系统的动态性能 116
5.7.1 开环频域指标 116
5.7.2 开环频率特性的三频段与系统性能的关系 117
本章小结 120
习题 120
第6章 控制系统的校正技术 123
6.1 控制系统设计与校正概述 124
6.1.1 控制系统的设计原则 124
6.1.2 控制系统的校正方式 124
6.2 闭环系统的串联校正 125
6.2.1 相位超前校正 125
6.2.2 相位滞后校正 129
6.2.3 相位滞后-超前校正 130
6.2.4 串联校正方式的特性比较 131
6.3 闭环系统的PID控制 131
6.3.1 P控制器 132
6.3.2 PI控制器 133
6.3.3 PD控制器 137
6.3.4 PID控制器 140
6.4 反馈校正 143
6.4.1 利用反馈校正改变局部结构和参数 144
6.4.2 利用反馈校正取代局部结构 145
6.5 复合校正 146
6.5.1 按输入补偿的顺馈控制 146
6.5.2 按干扰补偿的前馈控制 147
本章小结 148
习题 148
第7章 计算机控制技术 152
7.1 计算机控制系统概述 153
7.1.1 计算机控制系统的组成 153
7.1.2 计算机控制系统的特点 154
7.2 连续信号的采样 154
7.2.1 连续信号的采样过程 154
7.2.2 连续信号的采样定理 156
7.3 离散系统的差分方程 156
7.3.1 差分的概念 156
7.3.2 差分方程的概念 157
7.3.3 差分方程的求解 157
7.4 离散系统的脉冲传递函数 158
7.4.1 脉冲传递函数的概念 158
7.4.2 脉冲传递函数的求取 159
7.5 离散系统的性能分析 160
7.5.1 离散系统的动态性能分析 160
7.5.2 离散系统的稳态误差分析 163
7.5.3 离散系统的稳定性分析 164
7.6 计算机控制系统的程序设计 165
7.6.1 控制系统典型环节的程序设计 165
7.6.2 数字PID控制器的程序设计 172
本章小结 177
习题 177
附录 179
附录A 拉普拉斯变换 179
A.1 拉普拉斯变换的定义 179
A.2 拉普拉斯变换的基本性质和定理 179
A.3 拉普拉斯变换表 182
附录B z变换 184
B.1 z变换的定义 184
B.2 z变换的基本性质和定理 185
B.3 z变换表 186
参考文献 188
1.1 控制工程概述 2
1.1.1 控制理论的发展概况 2
1.1.2 控制理论的主要内容 3
1.1.3 控制工程基础的研究对象 3
1.2 控制系统的基本概念 3
1.2.1 控制系统的工作原理 4
1.2.2 开环控制和闭环控制 5
1.2.3 反馈控制系统的基本组成 6
1.3 控制系统的分类 7
1.3.1 按输入信号的变化规律分类 7
1.3.2 按控制系统的数学模型分类 7
1.3.3 按信号处理技术的方法分类 7
1.4 对控制系统的基本要求 8
1.5 自动控制系统举例 8
1.5.1 水位自动控制系统 8
1.5.2 机械式转速控制系统 9
本章小结 9
习题 10
第2章 控制系统的数学模型 12
2.1 控制系统的微分方程 13
2.2 控制系统的传递函数 17
2.2.1 传递函数的定义 17
2.2.2 传递函数的性质 17
2.2.3 传递函数的建立 18
2.3 控制系统的典型环节及其传递函数 18
2.3.1 典型环节的分类及其传递函数 19
2.3.2 常用的反馈控制系统传递函数 21
2.4 传递函数的方块图及其简化运算 23
2.4.1 方块图的组成 23
2.4.2 方块图的建立 23
2.4.3 方块图的简化运算 26
2.4.4 梅逊公式 29
2.5 典型控制系统的数学模型 30
本章小结 31
习题 32
第3章 控制系统的时域分析法 35
3.1 典型输入信号及时域性能指标 36
3.1.1 典型输入信号 36
3.1.2 时域性能指标 38
3.2 一阶系统的时间响应分析 39
3.2.1 一阶系统的数学模型 39
3.2.2 一阶系统的典型时间响应分析 39
3.3 二阶系统的时间响应分析 44
3.3.1 二阶系统的数学模型 44
3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应分析 44
3.3.3 二阶系统的动态性能指标分析 48
3.4 高阶系统的时间响应分析 51
3.5 控制系统的稳定性分析 52
3.5.1 系统稳定性的定义 52
3.5.2 系统稳定的充分必要条件 53
3.5.3 劳斯稳定判据 54
3.6 控制系统的稳态误差分析 58
3.6.1 稳态误差的概念及计算 58
3.6.2 系统的类型 60
3.6.3 稳态误差系数的概念及计算 61
3.6.4 扰动引起的稳态误差计算 64
3.7 应用MATLAB进行控制系统的时域分析 67
本章小结 70
习题 70
第4章 控制系统的根轨迹分析法 73
4.1 根轨迹的基本概念 74
4.1.1 根轨迹的定义 74
4.1.2 根轨迹与系统性能 75
4.1.3 根轨迹方程 75
4.2 根轨迹绘制的基本法则 76
4.3 参量根轨迹 81
4.4 用根轨迹分析系统性能 82
4.4.1 主导极点 82
4.4.2 偶极子 83
4.4.3 系统性能与零、极点的关系 85
4.4.4 系统根迹线的改造 85
本章小结 86
习题 87
第5章 控制系统的频域分析法 89
5.1 频率特性的基本概念 90
5.1.1 频率特性的定义 90
5.1.2 频率特性和传递函数之间的关系 91
5.2 频率特性的几何表示方法 92
5.2.1 幅相频率特性曲线 92
5.2.2 对数频率特性曲线 93
5.3 典型环节的对数频率特性 94
5.3.1 比例环节 94
5.3.2 积分环节 95
5.3.3 微分环节 97
5.3.4 惯性环节 97
5.3.5 一阶微分环节 99
5.3.6 振荡环节 100
5.3.7 二阶微分环节 102
5.4 系统开环频率特性的绘制 103
5.4.1 伯德图绘制的简便方法 104
5.4.2 最小相位系统与非最小相位系统 106
5.5 用频率特性分析系统的稳定性 109
5.5.1 奈奎斯特稳定判据 109
5.5.2 开环稳定系统的对数频率稳定判据 110
5.5.3 稳定裕度与系统的相对稳定性 111
5.5.4 关于相角裕度和幅值裕度的几点说明 115
5.6 用频率特性分析系统的稳态性能 115
5.6.1 系统型别的确定 115
5.6.2 开环放大倍数K的确定 116
5.7 用频率特性分析系统的动态性能 116
5.7.1 开环频域指标 116
5.7.2 开环频率特性的三频段与系统性能的关系 117
本章小结 120
习题 120
第6章 控制系统的校正技术 123
6.1 控制系统设计与校正概述 124
6.1.1 控制系统的设计原则 124
6.1.2 控制系统的校正方式 124
6.2 闭环系统的串联校正 125
6.2.1 相位超前校正 125
6.2.2 相位滞后校正 129
6.2.3 相位滞后-超前校正 130
6.2.4 串联校正方式的特性比较 131
6.3 闭环系统的PID控制 131
6.3.1 P控制器 132
6.3.2 PI控制器 133
6.3.3 PD控制器 137
6.3.4 PID控制器 140
6.4 反馈校正 143
6.4.1 利用反馈校正改变局部结构和参数 144
6.4.2 利用反馈校正取代局部结构 145
6.5 复合校正 146
6.5.1 按输入补偿的顺馈控制 146
6.5.2 按干扰补偿的前馈控制 147
本章小结 148
习题 148
第7章 计算机控制技术 152
7.1 计算机控制系统概述 153
7.1.1 计算机控制系统的组成 153
7.1.2 计算机控制系统的特点 154
7.2 连续信号的采样 154
7.2.1 连续信号的采样过程 154
7.2.2 连续信号的采样定理 156
7.3 离散系统的差分方程 156
7.3.1 差分的概念 156
7.3.2 差分方程的概念 157
7.3.3 差分方程的求解 157
7.4 离散系统的脉冲传递函数 158
7.4.1 脉冲传递函数的概念 158
7.4.2 脉冲传递函数的求取 159
7.5 离散系统的性能分析 160
7.5.1 离散系统的动态性能分析 160
7.5.2 离散系统的稳态误差分析 163
7.5.3 离散系统的稳定性分析 164
7.6 计算机控制系统的程序设计 165
7.6.1 控制系统典型环节的程序设计 165
7.6.2 数字PID控制器的程序设计 172
本章小结 177
习题 177
附录 179
附录A 拉普拉斯变换 179
A.1 拉普拉斯变换的定义 179
A.2 拉普拉斯变换的基本性质和定理 179
A.3 拉普拉斯变换表 182
附录B z变换 184
B.1 z变换的定义 184
B.2 z变换的基本性质和定理 185
B.3 z变换表 186
参考文献 188
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