控制工程基础及其应用_张屹,别锋锋_9787568092562

本书是江苏省高等学校重点教材，介绍了机电控制系统的基本原理、基本知识及其在机械工程中的应用，具体内容包括机电控制系统的基本概念、控制系统的数学模型、控制系统的时域分析、根轨迹法、控制系统的频域分析、控制系统的校正、机电控制系统的设计方法与实例等。每章备有知识要点、例题解析与习题。本书力求理论联系实际，简明易懂，强调应用。本书可作为普通高等学校机械工程类专业，特别是过程装备与控制工程、机械设计制造及其自动化等专业的本科教材，也可供有关教师与工程技术人员参考。

随着社会的进步和科技的日新月异，控制工程学科交叉和边缘特性日益凸显。典型的机械系统不再单独使用，更多的是与电气、电子装置结合在一起，形成机电控制系统。机械控制系统的相关理论与应用研究已经成为机械工程领域必不可少的研究与实践方向。当前国内机械类专业的自动控制原理课程多是借用自动控制或电子专业教材，其中所研究的系统一般为电子系统，应用的数学知识也较深，理论介绍多、实际应用少。这样对机械类专业的学生而言，仅靠教材内容的学习，很难将控制理论用于解决具体问题。针对上述问题，本书多以机械（机电）控制系统为对象，将控制理论与过程工业机械控制系统设计等结合起来讲解，以便学生学习如何分析解决机械工程领域的实际问题。本书在涵盖经典控制理论的基础上，坚持了以应用为重心、以基本概念、原理和方法为主线的原则。本书的特点是：在内容编排上力求精练、易于自学，从点开始、逐步展开，并把重点放在基本概念的建立及基础理论的阐述上。全书围绕工程设计的基本要求快速性、稳定性、准确性开展系统分析与校正讲解；坚持系统和动态两个观点，将分析研究的对象抽象为系统，运用控制理论的方法，解决机械工程中的稳态和动态实际问题。为适应工科专业的需要，在讲述基本理论的过程中，注重联系工程实际，注意培养学生运用理论解决实际工程问题的能力。本书介绍了机械控制系统的基本理论、基本方法及其应用。全书共7章：第1章为绪论，介绍机电控制理论的基本概念和本书结构体系与学习方法，第2章介绍控制系统的数学模型，第3章介绍控制系统的时域分析，第4章介绍根轨迹法，第5章介绍控制系统的频域分析，第6章介绍控制系统的校正，第7章介绍机械控制系统的设计方法与实例。全书在各章备有知识要点及习题，供读者参考练习。本书附录提供了Laplace变换的相关内容，供读者参考。本书可作为普通高等学校机械工程类专业，特别是过程装备与控制工程、机械设计制造及其自动化等专业的本科教材，也可供相关教师与工程技术人员参考。本书由常州大学张屹、别锋锋共同编写。感谢研究生吴溢凡、张莹在本书图表、文字编辑过程中给予的帮助；在本书的编写过程中，得到了常州大学*一流本科专业建设点、江苏高校品牌专业建设工程（二期项目）的支持，在此表示感谢。本书为江苏省高等学校重点教材立项建设项目和常州大学重点教材资助项目（项目号：JJJ21020003），在此一并表示感谢。由于编者水平有限，书中难免存在错误和疏漏之处，恳请广大读者和同行专家批评指正。

第1章绪论(1)

1.1机械控制工程的概念(1)

1.1.1控制的基本概念(1)

1.1.2机械控制系统的基本概念(2)

1.1.3控制理论的发展概况(2)

1.1.4机械控制系统的发展概况(3)

1.2控制系统的分类(4)

1.2.1按输入量的变化规律分类(4)

1.2.2按有无反馈分类(5)

1.2.3按传递信号的性质分类(5)

1.2.4按系统的数学描述分类(5)

1.2.5按系统输入输出数量分类(6)

1.2.6按闭环回路的数目分类(6)

1.3机械控制系统的基本控制方式(6)

1.3.1开环控制方式(6)

1.3.2闭环（反馈）控制方式(7)

1.3.3复合控制方式(8)

1.4机械控制系统的组成(8)

1.4.1机械控制系统的基本组成(8)

1.4.2机械控制系统中的基本环节(9)

1.4.3机械控制系统中的量(9)

1.5机械控制系统理论的研究对象与基本要求(10)

1.5.1机械控制系统理论的研究对象与任务(10)

1.5.2机械控制系统的基本要求(12)

1.6本书的体系结构(13)

1.7知识要点(14)

1.7.1机械工程控制概述(14)

1.7.2控制系统的分类(15)

1.7.3控制系统的组成和基本要求(16)

1.7.4课程性质与任务(18)

1.8例题解析(18)

习题(20)

第2章控制系统的数学模型(24)

2.1控制系统数学模型的基本概念(24)

2.1.1系统的数学模型及分类(24)

2.1.2建立系统数学模型的一般方法(25)

2.2控制系统的微分方程(26)

2.2.1列写微分方程的一般步骤(26)

2.2.2典型系统的微分方程(26)

2.2.3非线性数学模型的线性化(30)

2.3控制系统的传递函数(31)

2.3.1传递函数的基本概念及主要特点(32)

2.3.2控制系统的特征方程和零、极点(33)

2.3.3典型环节的传递函数(34)

2.4控制系统的方框图及其化简(39)

2.4.1控制系统方框图的构成要素及建立(40)

2.4.2控制系统方框图的连接方式(43)

2.4.3控制系统方框图的等效变换与化简(45)

2.4.4输入和干扰同时作用下的系统传递函数(49)

2.5机电控制系统传递函数推导举例(51)

2.6数学模型的MATLAB语言描述(56)

2.7知识要点(59)

2.7.1系统的数学模型与微分方程(59)

2.7.2系统分析的基本数学工具传递函数(60)

2.8例题解析(67)

习题(75)

第3章控制系统的时域分析(79)

3.1控制系统的时间响应及其性能指标(79)

3.1.1时间响应的概念及组成(79)

3.1.2典型输入信号(81)

3.1.3控制系统的时域性能指标(84)

3.1.4控制系统时域分析的基本方法及步骤(85)

3.2一阶系统的时域分析(86)

3.2.1一阶系统的数学模型(86)

3.2.2一阶系统的单位阶跃响应(87)

3.2.3一阶系统的单位脉冲响应(88)

3.2.4一阶系统的单位速度响应(89)

3.3二阶系统的时域分析(90)

3.3.1二阶系统的单位阶跃响应(90)

3.3.2单位阶跃响应下二阶系统的时域性能分析(95)

3.3.3二阶系统的单位脉冲响应(102)

3.3.4二阶系统的单位速度响应(102)

3.4高阶系统的时域分析(104)

3.4.1高阶系统的时间响应分析(104)

3.4.2高阶系统的主导极点与简化(105)

3.5控制系统的时域稳定性分析(108)

3.5.1线性系统稳定的充分必要条件(108)

3.5.2劳斯（Routh）稳定判据(110)

3.6控制系统误差时域分析及计算(114)

3.6.1系统的误差与偏差(114)

3.6.2系统的稳态误差与稳态偏差(115)

3.6.3系统的型次与偏差系数(116)

3.6.4扰动作用下的稳态误差(118)

3.6.5提高系统稳态精度的措施(120)

3.7知识要点(120)

3.7.1控制系统响应构成与时域特征(120)

3.7.2控制系统时域动态性能分析(122)

3.7.3控制系统的稳定性(128)

3.7.4控制系统误差时域分析(129)

3.8时域分析的MATLAB求解(132)

3.9例题解析(139)

习题(146)

第4章根轨迹法(151)

4.1根轨迹与根轨迹方程(151)

4.1.1根轨迹的基本概念(151)

4.1.2根轨迹方程(153)

4.2根轨迹绘制的基本法则(155)

4.3参数根轨迹及非最小相位系统(165)

4.3.1参数根轨迹(165)

4.3.2非最小相位系统的根轨迹(167)

4.4附加开环零、极点对系统性能的影响(168)

4.4.1附加开环零点对系统性能的影响(168)

4.4.2附加开环极点对系统性能的影响(171)

4.4.3增加一对开环零、极点对根轨迹及系统性能的影响(172)

4.5知识要点(173)

4.5.1根轨迹定义(173)

4.5.2根轨迹的幅值条件和相角条件(173)

4.5.3绘制根轨迹(174)

4.5.4利用根轨迹分析系统的性能(176)

4.6利用MATLAB语言绘制系统的根轨迹图(177)

4.7例题解析(178)

习题(186)

第5章控制系统的频域分析(188)

5.1频域特性的基本概念(188)

5.1.1频率特性的定义(189)

5.1.2频率特性和传递函数的关系(190)

5.1.3频率特性的图形表示方法(191)

5.2典型环节及一般系统的频率特性(194)

5.2.1开环系统的典型环节分解(194)

5.2.2典型环节的频率特性(195)

5.2.3不稳定环节的频率特性(202)

5.2.4一般系统Nyquist图的绘制(203)

5.2.5一般系统Bode图的绘制(206)

5.2.6最小相位系统和非最小相位系统(208)

5.3控制系统的频域稳定判据与相对稳定性(209)

5.3.1Nyquist稳定判据(209)

5.3.2Bode稳定判据(213)

5.3.3控制系统的相对稳定性(214)

5.4频率性能指标(216)

5.5利用MATLAB语言分析频域特性(217)

5.5.1用MATLAB语言作(218)

5.5.2用MATLAB语言作Bode图(219)

5.5.3Nichols图(221)

5.6知识要点(221)

5.6.1频域特性的基本概念(221)

5.6.2典型环节和一般系统的频率特性(223)

5.6.3频率特性的性能指标(227)

5.6.4控制系统的频域稳定性(228)

5.7例题解析(229)

习题(236)

第6章控制系统的校正(238)

6.1控制系统校正概述(238)

6.1.1校正的概念(238)

6.1.2校正的方法(238)

6.1.3校正装置(240)

6.2控制系统的设计指标与一般原则(241)

6.2.1控制系统时频性能指标及误差准则(241)

6.2.2频域性能指标与时域性能指标的关系(243)

6.2.3控制系统校正的一般原则(247)

6.2.4系统设计的基本方法(248)

6.3串联校正(249)

6.3.1滞后校正(249)

6.3.2超前校正(258)

6.3.3滞后超前校正(264)

6.4反馈校正(269)

6.4.1反馈的作用(269)

6.4.2反馈校正装置的设计(273)

6.5前馈校正(275)

6.6控制系统的根轨迹法校正(276)

6.6.1串联滞后校正(276)

6.6.2串联超前校正(279)

6.6.3串联滞后超前校正(284)

6.7知识要点(287)

6.7.1系统校正概述(287)

6.7.2控制系统时频性能指标及转换关系(288)

6.7.3系统的无源校正(289)

6.8例题解析(293)

习题(303)

第7章机械控制系统的设计与应用实例(306)

7.1机电控制系统的方案设计(306)

7.1.1机电控制系统的基本设计要求(306)

7.1.2机电控制系统的控制方案设计(307)

7.2机电控制系统的元件选择(310)

7.2.1测量元件的选择(311)

7.2.2执行电机的选择(314)

7.2.3放大装置的选择(320)

7.3机电控制系统的详细设计与实例(323)

7.3.1机电控制系统的设计理论概述(323)

7.3.2机电控制系统详细设计的基本流程(324)

7.3.3机电控制系统设计实例分析(326)

7.4过程工业装备控制系统设计与应用(335)

7.4.1热交换器温度反馈控制系统(335)

7.4.2单回路过程工业控制系统的应用(337)

7.4.3流体输送设备的控制(341)

7.5控制系统设计的MATLAB实现(346)

7.5.1MATLAB概述(346)

7.5.2例题解析(347)

习题(356)

附录Laplace变换法(358)

参考文献(366)

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