控制工程基礎（簡體書）

本書共6章,第1章主要介紹了開環控制、閉環控制、複合控制的原理,控制過程的物理本質,單變量反饋控制系統的組成和分類,以及系統基本要求的穩定性、快速性、準確性概念.第2章主要介紹了數學模型的概念、建模方法、拉普拉斯變換、傳遞函數、數學模型的圖解方法.第3章主要介紹了控制系統時域分析,包括穩定性分析、瞬態性能、穩態誤差分析與計算.第4章主要介紹了控制系統的頻域分析,包括頻域響應與頻率特性的概念、頻率特性的圖解方法、控制系統的開環頻率特性、頻域性能指標與時城性能指標的關係.第5章主要介紹了PID控制律及基於頻域分析的控制系統設計和校正.第6章為應用實例,以硬盤為控制對象,運用計算機輔助設計技術,進行控制系統的設計和校正.如此安排教學內容,有助於讀者循序漸進掌握控制工程的知識;其它專業教師選用本書時,適當取捨內容後可適應不同層次及不同專業的教學要求.控制工程基礎是機械類專業本科生必修的一門專業基礎課.武漢理工大學從上世紀70年代開始開設控制工程基礎課程,是全國最早開設此課程的高校之一.武漢理工大學教師經過幾十年的教學和科研實踐,在教學內容、教材和實驗室建設等方面積累了很多寶貴經驗和科研案例素材,並力圖將這些經驗體會、案例素材融入本書的內容中,以便讀者能更全面、更深入地瞭解控制工程基礎的全貌.特別案例與理論的融合、現代輔助設計引入.

《控制工程基礎》主要介紹經典控制理論中時域分析、頻域分析和控制系統設計與校正的方法。本書結構精煉，內容飽滿，干貨頗多，可作為高等學校近機械類和非機械類專業控制工程基礎課程的教材，也可作為自考教材、高職高專工科機械類、機電類專業教材，并可供相關專業的師生和工程技術人員參考。

章緒論(1)1.1控制理論的基本含義(1)1.1.1經典控制理論(2)1.1.2現代控制理論(2)1.2控制系統的基本概念(3)1.2.1系統的概念(3)1.2.2控制與自動控制的概念(3)1.3控制系統的工作原理與組成(4)1.3.1控制系統的工作原理(4)1.3.2控制系統的組成(6)1.4控制系統的基本類型(7)1.4.1按控制策略分類(7)1.4.2按輸入信號的性質分類(8)1.4.3按傳遞信號的性質分類(9)1.5控制系統的性能要求(9)本章小結(10)習題(11)第2章控制系統的數學模型(12)2.1控制系統的微分方程(12)2.1.1微分方程建立步驟(13)2.1.2控制系統的微分方程(13)2.2拉氏變換與反變換(15)2.2.1拉氏變換的定義(15)2.2.2典型時間函數的拉氏變換(16)2.2.3拉氏變換定理(18)2.2.4拉氏反變換(21)2.2.5拉氏變換求解線性微分方程(25)2.3控制系統的傳遞函數(26)2.3.1傳遞函數的定義(26)2.3.2傳遞函數的基本性質(27)2.3.3典型環節的傳遞函數(28)2.4系統方框圖及其簡化(33)2.4.1控制系統框圖繪制步驟(34)2.4.2方框圖的連接方式(35)2.4.3方框圖的簡化(36)2.5控制系統常用傳遞函數(39)2.5.1閉環系統的開環傳遞函數(39)2.5.2給定輸入作用下的閉環傳遞函數(40)2.5.3擾動作用下的閉環傳遞函數(40)2.6信號流圖和梅遜公式(41)2.6.1信號流圖(41)2.6.2梅遜公式(43)2.7非線性模型的線性化(45)2.7.1線性化問題的提出(45)2.7.2非線性數學模型的線性化(45)2.8控制系統建模舉例(47)本章小結(49)習題(50)第3章控制系統的時域分析(54)3.1時域響應(54)3.2典型輸入信號(55)3.3一階系統的時域分析(57)3.3.1一階系統的單位階躍響應(58)3.3.2一階系統的脈沖響應(59)3.4二階系統的時域分析(59)3.4.1二階系統的單位階躍響應(60)3.4.2控制系統的時域性能指標(63)3.4.3二階系統的脈沖響應(66)3.5高階系統的時域分析(69)3.5.1高階系統的單位階躍響應(69)3.5.2主導極點(71)3.5.3高階系統階躍性能指標(72)3.6控制系統穩定性分析(73)3.6.1穩定的概念(73)3.6.2穩定的條件(74)3.6.3勞斯穩定判據(76)3.7控制系統穩態誤差分析(79)3.7.1偏差及誤差的概念(79)3.7.2系統的類型和偏差系數(81)3.7.3擾動作用下的穩態誤差(83)3.7.4控制系統穩態精度改善措施(84)本章小結(85)習題(86)第4章控制系統的頻域分析(89)4.1頻率特性的基本概念(89)4.1.1頻率響應(89)4.1.2頻率特性(90)4.1.3頻率特性的求取方法及表達方式(91)4.2典型環節的頻率特性(95)4.2.1比例環節(95)4.2.2慣性環節(95)4.2.3一階微分環節(98)4.2.4二階振蕩環節(99)4.2.5積分環節(103)4.2.6延遲環節(104)4.3控制系統的開環頻率特性(105)4.3.1小相位系統(105)4.3.2系統開環傳遞函數奈奎斯特圖的繪制(106)4.3.3系統開環傳遞函數伯德圖的繪制(109)4.3.4傳遞函數的實驗確定法(112)4.4系統穩定性的頻域分析(116)4.4.1奈奎斯特穩定性判據(116)4.4.2伯德穩定性判據(122)4.4.3控制系統的相對穩定性(124)4.5系統動態性能的頻域指標(126)4.5.1閉環系統的頻率特性(126)4.5.2閉環頻域性能指標(128)4.5.3開環系統頻域性能指標(130)4.5.4用開環系統頻率特性分析閉環系統性能(131)本章小結(132)習題(133)第5章控制系統的綜合與校正(138)5.1校正的基本概念(138)5.1.1控制系統的性能指標(138)5.1.2控制系統的校正概念(139)5.1.3系統常用校正方式(139)5.2PID控制器(140)5.2.1PID控制器(140)5.2.2P控制(141)5.2.3PI控制(142)5.2.4PD控制(144)5.2.5PID控制(145)5.3PID控制器的實現(146)5.3.1PD控制器(147)5.3.2PI控制器(147)5.3.3PID控制器(147)5.4反饋校正(148)5.4.1反饋校正的連接形式(148)5.4.2反饋校正的特點(149)5.5復合校正(149)5.5.1順饋補償(150)5.5.2前饋補償(151)本章小結(151)習題(152)第6章控制系統計算機輔助設計(154)6.1概述(154)6.2硬盤控制分析與建模(155)6.2.1硬盤工作原理(155)6.2.2硬盤控制建模(158)6.3MATLAB簡介(159)6.3.1MATLAB簡介(159)6.3.2MATLAB Simulink(161)6.4硬盤控制系統校正(162)6.4.1硬盤控制系統性能分析(162)6.4.2硬盤控制系統時域校正(164)6.4.3硬盤控制系統頻域校正(169)6.5磁懸浮小球系統校正(171)本章小結(175)習題(175)參考文獻(177)