本教材是在董景新、赵长德等编著的《控制工程基础(第2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“十一五”国家级规划教材。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、控制系统的频率特性、控制系统的稳定性分析、控制系统的误差分析和计算、控制系统的综合与校正、根轨迹法、控制系统的非线性问题、计算机控制系统。该教材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, 并简化或略去了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和习题,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《控制工程基础实验指导》、教师用《控制工程基础习题解》和多媒体课件,以供选用。
第3版前言 本教材是在董景新、赵长德、熊沈蜀、郭美凤编著的《控制工程基础(第2版)》的基础上重新编写的。从本书第1版正式出版以来,“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。该教材第1版于1992年3月出版,11年的时间内累计印刷11次,总印数达53000册;第2版于2003年8月出版,需求量翻倍,5年时间印刷10次,总印数达到60000册。随着需求量的增加,我们深感责任的加重,促使我们对于教材的编写精益求精,于是由目前在教学第一线的教师着手编写了第3版教材。
这次新版教材在原书的基础上各章都做了或多或少的补充和修改。其中,主要的变动如下: ①第2版第5章“控制系统的稳定性分析”中的乃奎斯特判据证明,由原来米哈伊洛夫定理作为引理改为采用映射定理证明,以更适应当前学生的知识结构,该部分由陈志勇完成; ②第6章增加了干扰引起系统误差的分析和解决方法的内容,第9章“控制系统的非线性问题”增加了李雅普诺夫方法和计算机仿真方法的内容,由董景新完成。 ③第10章“计算机控制系统”按照更加便于工程应用的原则由李冬梅重写; ④第11章“MATLAB软件工具在控制系统分析和综合中的应用”的内容分散到各章,并做了较多的补充和扩展,该部分由郭美凤完成。全书由董景新整理统编。
该教材广泛参考了国内外同类教材和其他有关文献,保持并突出以下特点:
(1) 突出机械运动作为主要受控对象,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, 并简化或略去了与机电工程距离较远、较艰深的严格数学推导内容;
(3) 引入和编写了较多的例题和习题,便于学生自学;
(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,该教材中也作了一定介绍,其有关章节前注以“*”号。
该教材被纳入普通高等教育“十一五”国家级规划教材,得到了国家高等教育精品课建设项目、北京市高等教育精品教材建设项目和清华大学精品课建设项目经费的资助,在此表示衷心感谢。
编 者2009年3月于清华园第三前言控制工程基础(第3版)
目录1 概论1
1.1 控制理论在工程中的应用和发展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11
例题及习题132 控制系统的动态数学模型16
2.1 基本环节数学模型16
2.2 数学模型的线性化20
2.3 拉氏变换及反变换22
2.4 传递函数以及典型环节的传递函数33
2.5 系统函数方块图及其简化40
2.6 系统信号流图及梅逊公式44
2.7 受控机械对象数学模型45
2.8 绘制实际物理系统的函数方块图47
2.9 控制系统数学模型的MATLAB实现56
*2.10 状态空间方程的基本概念60
例题及习题643 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92
3.6 借助MATLAB进行系统时间响应分析95
3.7 时域瞬态响应的实验方法104
例题及习题106目录控制工程基础(第3版)4 控制系统的频率特性115
4.1 机电系统频率特性的概念及其基本实验方法115
4.2 极坐标图123
4.3 对数坐标图128
4.4 由频率特性曲线求系统传递函数136
4.5 由单位脉冲响应求系统的频率特性139
*4.6 对数幅相特性图140
4.7 控制系统的闭环频响141
4.8 机械系统动刚度的概念149
4.9 借助MATLAB进行控制系统的频域响应分析151
4.10 小结155
例题及习题1555 控制系统的稳定性分析162
5.1 系统稳定性的基本概念162
5.2 系统稳定的充要条件163
5.3 代数稳定性判据164
5.4 乃奎斯特稳定性判据171
5.5 应用乃奎斯特稳定性判据分析延时系统的稳定性178
5.6 由伯德图判断系统的稳定性183
5.7 控制系统的相对稳定性186
5.8 借助MATLAB分析系统稳定性190
5.9 李雅普诺夫稳定性方法193
例题及习题1946 控制系统的误差分析和计算201
6.1 稳态误差的基本概念201
6.2 输入引起的稳态误差202
6.3 干扰引起的稳态误差207
6.4 减小系统误差的途径211
6.5 动态误差系数213
例题及习题2147 控制系统的综合与校正220
7.1 系统的性能指标220
7.2 系统的校正概述223
7.3 串联校正224
7.4 反馈校正234
7.5 用频率法对控制系统进行综合与校正237
7.6 典型控制系统举例250
7.7 确定PID参数的其他方法262
7.8 MATLAB在系统综合校正中的应用267
7.9 小结270
例题及习题2708 根轨迹法278
8.1 根轨迹与根轨迹方程278
8.2 绘制根轨迹的基本法则281
8.3 其他参数根轨迹图的绘制288
8.4 根轨迹图绘制举例289
8.5 系统闭环零点、极点的分布与性能指标293
8.6 借助MATLAB进行系统根轨迹分析299
例题及习题302*9 控制系统的非线性问题305
9.1 概述305
9.2 描述函数法308
9.3 相轨迹法322
9.4 李雅普诺夫稳定性方法342
9.5 借助MATLAB分析系统非线性343
例题及习题34410 计算机控制系统351
10.1 计算机控制系统概述351
10.2 线性离散系统的数学模型358
10.3 线性离散系统的性能分析384
10.4 计算机控制系统的模拟化设计方法393
10.5 MATLAB在计算机控制系统中的应用398
例题及习题403
附录A 拉普拉斯变换表410
附录B 高阶最优模型最佳频比的证明414
习题参考答案417
参考文献430