控制工程基础

ISBN：9787302063872
　　定价：39元
　　出版社：清华大学出版社　　印次：2-9
　　装帧：平装
　　出版日期：2003-8-1
　　丛书名称：清华大学机械工程基础系列教材

本教材是在第1版的基础上，引入近年来相关内容的发展重新编写的，主要面向机械类、仪器类及其他非控制专业本科生，被列入普通高等教育“十五”国家级规划教材和北京市高等教育精品教材立项项目。
　　主要内容包括：控制系统的动态数学模型、时域瞬态响应分析、根轨迹法、控制系统的非线性问题、计算机控制系统、MALTAB软件工具在控制系统分析和综合中的应用。本书以机械运动作为主要控制对象，并对其数学模型和分析综合重点作了介绍；着重基本概念的建立和解决机电控制问题的基本方法的阐明，简化或略去与机电工程距离较远、较艰深的严格数学推导内容；引入和编写了较多的例题、习题，便于自学。
　　本教材融入了有关的机电一体化新技术和新分析方法，可供相关领域的科技人员参考。同时，为了配合本教材的使用，还制作了《控制工程基础》多媒体光盘讲课版和基础部分光盘习题解答版，以供选用。

本教材是在董景新、赵长德编著的《控制工程基础》第1版的基础上重新编写的。《控制工程基础》第1版自1992年3月正式出版已10年。自第1版教材问世以来，“控制工程基础”课程已在全国各高等院校的机械类、仪器类等非控制专业普遍开设，清华大学等院校并将该课程确定为机械学院平台课，对教材的需求也稳步增加。自出版以来根据需求原教材多次重新印刷，至今已累计11次，总印数达53000册。随着科学技术的飞速进步，原教材一些内容已经陈旧，先进的内容需要补充。
　　这次新版教材在原书的基础上各章都作了或多或少的补充和修改。其中第10章“计算机控制系统”、第11章“MATLAB软件工具在控制系统分析和综合中的应用”完全重写，第2章“控制系统的动态数学模型”、第4章“控制系统的频率特性”、第7章“控制系统的综合与校正”也有很大改动。
　　该教材广泛参考了国内外同类教材和其他有关文献, 力图形成以下特点:
　　(1) 突出机械运动作为主要控制对象，并对其数学模型和分析综合重点研究;
　　(2) 对自动调节原理基本内容表达清楚, 着重基本概念的建立和解决机电控制问题的基本方法的阐明, 并简化或略去与机电工程距离较远、较艰深的严格数学推导内容;
　　(3) 引入和编写较多的例题、习题, 便于自学;
　　(4) 反映机电一体化新技术和新分析方法。
　　对于属于该书领域的非基本内容，但在本领域文献中时有出现的较为繁难的部分，本教材也作了一定介绍，其有关章节前注以“*”号。
　　参加该书编写的除原作者董景新教授和赵长德教授外，还有熊沈蜀副教授（编写第10章）、郭美凤讲师（编写第11章部分），助教博士生韩丰田编写了第11章中的部分程序，张冠斌同学利用毕业设计对第7章的实例进行了部分设计和分析工作。全书由董景新教授统编。
　　该教材的编写得到了北京市高等教育精品教材建设项目和清华大学精品课程建设项目经费的资助，在此表示衷心感谢。
　　编者
　　2002年12月

1概论1
　　1.1控制理论在工程中的应用发展1
　　1.2自动控制系统的基本概念2
　　1.3控制理论在机械制造工业中的应用8
　　1.4课程主要内容及学时安排12
　　例题及习题14
　　2控制系统的动态数学模型17
　　2.1基本环节数学模型17
　　2.2数学模型的线性化21
　　2.3拉氏变换及反变换23
　　2.4传递函数以及典型环节的传递函数35
　　2.5系统函数方块图及其简化42
　　2.6系统信号流图及梅逊公式47
　　2.7受控机械对象数学模型48
　　2.8绘制实际物理系统的函数方块图50
　　*2.9状态空间方程基本概念60
　　例题及习题64
　　3时域瞬态响应分析76
　　3.1时域响应以及典型输入信号76
　　3.2一阶系统的瞬态响应79
　　3.3二阶系统的瞬态响应81
　　3.4时域分析性能指标88
　　3.5高阶系统的瞬态响应93
　　3.6 机电系统时域瞬态响应的实验方法96
　　例题及习题98
　　4控制系统的频率特性108
　　4.1机电系统频率特性的概念及其基本实验方法108
　　4.2极坐标图116
　　4.3对数坐标图122
　　4.4由频率特性曲线求系统传递函数131
　　4.5由单位脉冲响应求系统的频率特性135
　　*4.6对数幅相图135
　　4.7控制系统的闭环频响137
　　例题及习题147
　　5控制系统的稳定性分析155
　　5.1系统稳定性的基本概念155
　　5.2系统稳定的充要条件156
　　5.3代数稳定性判据157
　　5.4乃奎斯特稳定性判据164
　　5.5应用乃奎斯特判据分析延时系统的稳定性173
　　5.6由伯德图判断系统的稳定性178
　　5.7控制系统的相对稳定性182
　　*5.8李雅普诺夫稳定性方法186
　　例题及习题188
　　6控制系统的误差分析和计算197
　　6.1稳态误差的基本概念197
　　6.2输入引起的稳态误差198
　　6.3干扰引起的稳态误差203
　　6.4减小系统误差的途径205
　　6.5动态误差系数207
　　例题及习题209
　　7控制系统的综合与校正216
　　7.1系统的性能指标216
　　7.2系统的校正概述220
　　7.3串联校正221
　　7.4反馈校正232
　　7.5用频率法对控制系统进行综合与校正235
　　7.6典型机电反馈控制系统综合校正举例248
　　7.7确定PID参数的其他方法261
　　例题及习题266
　　8根轨迹法275
　　8.1根轨迹与根轨迹方程275
　　8.2绘制根轨迹的基本法则278
　　8.3根轨迹图绘制举例286
　　8.4系统闭环零点、极点的分布与性能指标291
　　例题及习题299
　　*9控制系统的非线性问题303
　　9.1概述303
　　9.2描述函数法307
　　9.3相轨迹法322
　　例题及习题337
　　10计算机控制系统344
　　10.1计算机控制系统的组成344
　　10.2线性离散系统的数学模型和分析方法350
　　*10.3离散状态空间模型374
　　10.4线性离散系统的稳定性分析377
　　10.5计算机控制系统的模拟化设计方法381
　　例题及习题390
　　11MATLAB软件工具在控制系统分析和综合中的应用397
　　11.1MATLAB基本特点397
　　11.2控制系统在MATLAB中的描述399
　　11.3进行部分分式展开400
　　11.4线性系统的时间响应分析402
　　11.5控制系统的频域响应分析405
　　11.6控制系统的根轨迹图408
　　11.7系统稳定性分析409
　　11.8控制系统仿真例411
　　11.9系统框图输入与仿真工具SIMULINK431
　　习题437
　　附录A拉普拉斯变换表439
　　附录B高阶最优模型最佳频比的证明443
　　习题参考答案446
　　参考文献462

控制工程基础实验指导
　　控制工程基础习题解

《21世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材•控制工程基础》既可作为高等院校机械大类、近机类、能源类各本科专业的控制工程课程教材，也可作为从事控制工程的专业技术人员的参考用书。

插图：



控制科学与工程是一门研究自动控制的理论、方法、技术及其工程应用的学科。它是20世纪最重要的科学理论和成就之一。控制理论包括工程控制论、生物控制论、经济控制论和社会控制论，它应用于政治、经济、社会各领域。控制理论不仅是一门极为重要的学科，而且也是现代科学方法论的重要内容之一。
控制工程基础是控制科学与工程的入门课程，主要阐述经典控制理论的主要内容和应用，其理论基础是工程控制论。
自动控制技术已经广泛地应用于工业、农业、国防乃至日常生活和社会科学的许多领域。例如，数控机床按照预先编制好的程序加工零件；雷达自动跟踪空中的飞行器；微波炉、洗衣机、空调等家用电器按人们的要求进行服务等，所有这些都离不开自动控制技术。自动控制技术的广泛应用，不仅可以改善人们的工作条件，降低人们的劳动强度，提高生产效率，而且在人类征服自然、探知未来、建设高度文明的社会等方面有着重要的意义。随着科学技术、国防事业的发展及人们生活水平的提高，自动控制技术所起的作用越来越重要，自动控制技术本身也将得到进一步发展。
1.1 系统与控制系统
本节介绍系统和系统的组成要素，控制和控制系统的概念，以及输入信号和输出信号等概念。
1.1.1 系统的概念
系统是由若干相互作用和相互依存的事物组合而成的、具有特定功能的整体。在工程领域，系统可以是电的、机械的、液压的、气动的、热力学的、生物医学的，或者这些系统的某种组合。在实际工程中，系统一般可以定义为：任何一组存在某种因果关系的物理元件。系统不可能独立存在，系统与外界环境总是相互作用的。外界环境施加于系统的作用称为系统的输入或激励、原因，而将要求系统完成的功能称为系统的输出响应、效果。通常，输入和输出都是物理变量，例如，温度、压力、液位、电压、位移、速度等。

控制工程基础课程是机械类专业重要的学科基础课之一。本课程的主要任务是使学生掌握控制工程的基础知识，掌握控制系统的工作原理、性能要求，熟悉系统数学模型的建模方法，系统性能的时域、频域分析方法；了解控制系统综合校正的基本概念和方法，为学习后续专业课程打下基础。学习本课程关键是抓住基本思想、基本概念、基本原理和基本方法。
本书是编者在30年教学和科研工作的基础上，认真总结同类教材的编写经验并吸收国外教材的优秀部分编写而成。本书的具体内容包括：第1章，控制工程的基本概念，主要介绍控制系统的工作原理、组成、分类、基本性能要求等；第2章，动态系统的数学模型，主要介绍系统运动微分方程的列写方法，传递函数的概念、性质及其求取方法，典型环节的传递函数，系统传递函数的图解方法，控制系统的几个重要传递函数等；第3章，控制系统的时域分析，主要介绍时间响应的概念及组成，系统稳定性的概念及其物理意义，系统稳定的充分必要条件和时域判据，一阶、二阶系统的阶跃响应分析、时域性能指标，系统稳态误差的概念及其计算方法等；第4章，控制系统的频域分析，主要介绍频率响应、频率特性的基本概念及其物理意义，频率特性的乃奎斯特图和伯德图两种图解方法，以及频域性能指标、稳定性、动态特性、稳态误差的频域分析；第5章，控制系统的校正，主要介绍校正的概念，常用校正方法，系统校正设计等；第6章，离散控制系统初步，主要介绍离散控制系统的基本概念、z变换、脉冲传递函数和离散系统的性能分析等，没有涉及离散系统的校正与设计；第7章，现代控制理论简介，主要介绍状态、状态变量、动态方程等概念，系统动态方程的建立，动态方程求解、状态反馈和输出反馈、极点配置、最优控制等。
读者在学习了前3章和第5章之后，已经掌握了控制工程的基础知识，以后的学习主要是方法（包括数学工具）的改变、研究领域的改变和研究对象的变化，如从时域研究进入频域、连续系统变为离散系统等，分析研究的基本内容仍然是稳定性、动态特性、稳态误差等问题。建议读者在学习过程中，采用MATLAB语言中的控制工具箱和Simulink图形仿真工具对控制系统进行分析和研究。
本书由武汉大学华夏学院容一鸣任主编，齐洪方任副主编，参加编写人员有汪芳、尚雪梅和钟巍。
由于编者水平所限，书中缺点甚至错误在所难免，恳请读者批评指正。

郁凯元，1962年考入北京工业学院控制工程系；1981年获浙江大学液压与气动硕士学位，1988年在职获博士学位；1991-1994年在美国艾奥瓦州立大学先后担任高级访问学者、客座教授、博士后；现为东南大学机械学院教授。参与开发的“新原理电液先导比例压力阀”获国家发明三等奖，获省部级科技成果奖5项；1991年被评为“做出突出贡献的中国博士学位获得者”。连续5年用原版教材为本科生双语讲授“控制工程基础”课程。