控制工程基础及其应用

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。

张屹教授，博士，博士生导师。研究方向：机电系统现代设计方法（协同设计、快速设计、虚拟样机设计等）；机电传动与控制系统设计；工业自动化与监控系统设计；CAD/CAM/CAPP/CAE/CIMS等。国家自然科学基金项目评审专家，《Optimization》、《Mathematical Problems in Engineering》、《Engineering Optimization》、《Information Sciences》、《中国机械工程》、《计算机集成制造系统》、《振动与冲击》等多个学术刊物审稿人。发表学术论文100余篇，其中在SCI/EI检索论文60余篇，授权发明专利30余项，出版专著1部，教材3部。

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)