控制工程基础(全2册)

前言
在科学研究与社会生产活动的过程中，将人类从复杂、危险、烦琐的劳动环境中解放出来，并大大提高其控制效率，控制工程技术起着越来越重要的作用。控制工程是工程科学的一个分支，它涉及利用反馈原理对动态系统的自动影响，以使得输出值接近期望值。而每一次新的控制理论、控制方法、控制设备的出现，也促进了其他学科与工程技术的发展。控制工程技术已经成为从事科学研究与社会生产的技术人员必须掌握的专业技术基础知识。
“控制工程基础”是机械类专业本科生必修的一门专业基础课。武汉理工大学在20世纪70年代就开设了“控制工程基础”课程，是全国早开设此课程的高校之一。武汉理工大学的教师经过几十年的教学和科研实践，在教学内容、教材和实验室建设等方面积累了很多宝贵经验和科研案例素材，并力图将这些经验体会、案例素材融入本书的内容中，以便读者能更全面、更深入地了解“控制工程基础”的全貌。
1.课程简介
“控制工程基础”是控制理论在机械工程实践中具体应用的分支学科，它的研究对象是工程中的各种功率流、物质流、信息流的控制系统，其内容着重从信息的角度，阐述和讨论各种控制系统性能的理论分析方法和控制系统的工程设计方法。
“控制工程基础”课程主要介绍经典控制理论，阐述和讨论单输入单输出系统的理论分析方法和以校正方法为主的系统综合方法。
“控制工程基础”课程的特点是理论性、逻辑性较强，概念术语多，需要用到微分方程、复变函数、拉氏变换等数学工具。因此，课程教学应强调理论联系实际，从物理本质、数学描述等方面阐明物理概念，以基本概念为核心，以基本原理、基本方法为主线进行教学。在教学体系上以系统分析为重点，按分析方法展开，从时域分析逐渐进入频域分析，从连续系统再到离散系统。讲授本课程时，要求学生自学MATLAB语言，并能用该语言解答习题和进行控制系统设计。
2.课程知识点索引
1)控制系统及建模系统(控制、控制系统)；自动控制；开环控制；闭环控制；复合控制；恒值控制；程序控制；伺服控制；连续控制；离散控制；稳定性；准确性；快速性；反馈(正、负)；数学模型；解析建模；实验建模；微分方程；标准型；负载效应。
2)传递函数典型环节；拉氏变换；线性定理；微分定理；积分定理；延迟定理；位移定理；初值定理；终值定理；拉氏反变换；待定系数；简单极点；复数极点；重极点；方框图；计算法则；等效法则；梅森公式；开环传递函数；闭环传递函数；偏差传递函数。
3)时间响应典型信号；时间响应；阶跃响应；脉冲响应；速度响应；微积分性质；稳态分量；瞬态分量；欠阻尼；临界阻尼；过阻尼；零阻尼；负阻尼；性能指标；上升时间；峰值时间；调整时间；平稳性；振荡次数；超调量；稳态误差；终值定理；误差系数；位置误差系数；速度误差系数；加速度误差系数。
4)频率响应频率响应；频率特性；幅频特性；相频特性；实频特性；虚频特性；极坐标图(Nyquist图，奈奎斯特图)；对数坐标图(Bode图，伯德图)；小相位；相位交界频率；幅值交界频率；相位裕量；幅值裕量；谐振频率；谐振峰值；截止频率；劳斯判据；劳斯阵列；内积、外积；复角定理；奈奎斯特判据；伯德判据；穿越。
5)系统分析及校正校正；校正装置(控制器)；校正实质；校正方式；串联校正；反馈校正；顺馈校正；干扰补偿；P校正；PI校正；PD校正；PID校正。
本书共6章。第1章介绍了开环控制、闭环控制、复合控制的原理，控制过程的物理本质，单变量反馈控制系统的组成和分类，以及系统基本要求的稳定性、快速性、准确性概念。第2章介绍了数学模型的概念、建模方法、拉普拉斯变换、传递函数、数学模型的图解方法。第3章介绍了控制系统时域分析，包括稳定性分析、瞬态性能、稳态误差分析与计算。第4章介绍了控制系统的频域分析，包括频域响应与频率特性的概念，频率特性的图解方法，控制系统的开环频率特性，频域性能指标与时域性能指标的关系。第5章介绍了PID控制规律及基于频域分析的控制系统设计和校正。第6章为应用实例，以硬盘为控制对象，运用计算机辅助设计技术，进行控制系统的设计和校正。如此安排教学内容，有助于读者循序渐进掌握控制工程的知识；其他专业教师选用本书时，适当取舍内容后可适应不同层次及不同专业的教学要求。
本书由武汉理工大学吴华春、石志良、张和平、周斌编著，吴华春统稿。具体编写分工为：石志良编写第2、3章，张和平编写第4章，周斌编写第2章部分、吴华春编写其余章节。书中部分内容参考了相关企业的产品资料和兄弟院校同行作者的有关文献，在此对书中所列参考文献、引用的相关教材与资料的作者、译者和单位一并表示感谢！
由于编者水平有限，书中难免存在不足及欠妥之处，恳请同行及广大读者批评指正。
编著者
2017年3月于武汉

《控制工程基础》主要介绍经典控制理论中时域分析、频域分析和控制系统设计与校正的方法。全书共分6章，前2章为控制系统工作原理及组成、数学模型等基础知识；第3章和第4章为控制系统分析方法；第5章为PID控制律及控制系统设计与校正；第6章为硬盘和磁悬浮小球控制实例设计。每章均有教学提示、教学要求、深化拓宽、案例、小结和习题。本书即可作为高等学校近机械类和非机械类专业控制工程基础课程的教材，也可作为自考教材、高职高专工科机械类、机电类专业教材，并可供相关专业的师生和工程技术人员参考。

吴华春，教授，博士生导师,武汉理工大学机电工程学院副院长。主要研究方向：机电控制与自动化技术、 磁悬浮支承技术、机械工况监测与故障诊断。主持国家自然科学基金、晨光计划等横向项目20余项，发表论文40余篇，国家发明专利授权15项。现任机电工程学院副院长、校“双一流”建设培育项目首席专家、湖北省磁悬浮工程技术研究中心主任、中国磁悬浮技术青年委员会副主任。国家自然科学基金评审专家、中国机械工程学会高级会员、湖北省机电工程学会理事、中国机械工程学会流体工程分会第六届理事会理事。

目录
第1章绪论(1)
1.1控制理论的基本含义(1)
1.1.1经典控制理论(2)
1.1.2现代控制理论(2)
1.2控制系统的基本概念(3)
1.2.1系统的概念(3)
1.2.2控制与自动控制的概念(3)
1.3控制系统的工作原理与组成(4)
1.3.1控制系统的工作原理(4)
1.3.2控制系统的组成(6)
1.4控制系统的基本类型(7)
1.4.1按控制策略分类(7)
1.4.2按输入信号的性质分类(8)
1.4.3按传递信号的性质分类(9)
1.5控制系统的性能要求(9)
本章小结(10)
习题(11)
第2章控制系统的数学模型(12)
2.1控制系统的微分方程(12)
2.1.1微分方程建立步骤(13)
2.1.2控制系统的微分方程(13)
2.2拉氏变换与反变换(15)
2.2.1拉氏变换的定义(15)
2.2.2典型时间函数的拉氏变换(16)
2.2.3拉氏变换定理(18)
2.2.4拉氏反变换(21)
2.2.5拉氏变换求解线性微分方程(25)
2.3控制系统的传递函数(26)
2.3.1传递函数的定义(26)
2.3.2传递函数的基本性质(27)
2.3.3典型环节的传递函数(28)
2.4系统方框图及其简化(33)
2.4.1控制系统框图绘制步骤(34)
2.4.2方框图的连接方式(35)
2.4.3方框图的简化(36)
2.5控制系统常用传递函数(39)
2.5.1闭环系统的开环传递函数(39)
2.5.2给定输入作用下的闭环传递函数(40)
2.5.3扰动作用下的闭环传递函数(40)
2.6信号流图和梅逊公式(41)
2.6.1信号流图(41)
2.6.2梅逊公式(43)
2.7非线性模型的线性化(45)
2.7.1线性化问题的提出(45)
2.7.2非线性数学模型的线性化(45)
2.8控制系统建模举例(47)
本章小结(49)
习题(50)
第3章控制系统的时域分析(54)
3.1时域响应(54)
3.2典型输入信号(55)
3.3一阶系统的时域分析(57)
3.3.1一阶系统的单位阶跃响应(58)
3.3.2一阶系统的脉冲响应(59)
3.4二阶系统的时域分析(59)
3.4.1二阶系统的单位阶跃响应(60)
3.4.2控制系统的时域性能指标(63)
3.4.3二阶系统的脉冲响应(66)
3.5高阶系统的时域分析(69)
3.5.1高阶系统的单位阶跃响应(69)
3.5.2主导极点(71)
3.5.3高阶系统阶跃性能指标(72)
3.6控制系统稳定性分析(73)
3.6.1稳定的概念(73)
3.6.2稳定的条件(74)
3.6.3劳斯稳定判据(76)
3.7控制系统稳态误差分析(79)
3.7.1偏差及误差的概念(79)
3.7.2系统的类型和偏差系数(81)
3.7.3扰动作用下的稳态误差(83)
3.7.4控制系统稳态精度改善措施(84)
本章小结(85)
习题(86)
第4章控制系统的频域分析(89)
4.1频率特性的基本概念(89)
4.1.1频率响应(89)
4.1.2频率特性(90)
4.1.3频率特性的求取方法及表达方式(91)
4.2典型环节的频率特性(95)
4.2.1比例环节(95)
4.2.2惯性环节(95)
4.2.3一阶微分环节(98)
4.2.4二阶振荡环节(99)
4.2.5积分环节(103)
4.2.6延迟环节(104)
4.3控制系统的开环频率特性(105)
4.3.1小相位系统(105)
4.3.2系统开环传递函数奈奎斯特图的绘制(106)
4.3.3系统开环传递函数伯德图的绘制(109)
4.3.4传递函数的实验确定法(112)
4.4系统稳定性的频域分析(116)
4.4.1奈奎斯特稳定性判据(116)
4.4.2伯德稳定性判据(122)
4.4.3控制系统的相对稳定性(124)
4.5系统动态性能的频域指标(126)
4.5.1闭环系统的频率特性(126)
4.5.2闭环频域性能指标(128)
4.5.3开环系统频域性能指标(130)
4.5.4用开环系统频率特性分析闭环系统性能(131)
本章小结(132)
习题(133)
第5章控制系统的综合与校正(138)
5.1校正的基本概念(138)
5.1.1控制系统的性能指标(138)
5.1.2控制系统的校正概念(139)
5.1.3系统常用校正方式(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控制器的实现(146)
5.3.1PD控制器(147)
5.3.2PI控制器(147)
5.3.3PID控制器(147)
5.4反馈校正(148)
5.4.1反馈校正的连接形式(148)
5.4.2反馈校正的特点(149)
5.5复合校正(149)
5.5.1顺馈补偿(150)
5.5.2前馈补偿(151)
本章小结(151)
习题(152)
第6章控制系统计算机辅助设计(154)
6.1概述(154)
6.2硬盘控制分析与建模(155)
6.2.1硬盘工作原理(155)
6.2.2硬盘控制建模(158)
6.3MATLAB简介(159)
6.3.1MATLAB简介(159)
6.3.2MATLAB Simulink(161)
6.4硬盘控制系统校正(162)
6.4.1硬盘控制系统性能分析(162)
6.4.2硬盘控制系统时域校正(164)
6.4.3硬盘控制系统频域校正(169)
6.5磁悬浮小球系统校正(171)
本章小结(175)
习题(175)
参考文献(177)

《控制工程基础》主要介绍经典控制理论中时域分析、频域分析和控制系统设计与校正的方法。全书共分6章，前2章为控制系统工作原理及组成、数学模型等基础知识；第3章和第4章为控制系统分析方法；第5章为PID控制律及控制系统设计与校正；第6章为硬盘和磁悬浮小球控制实例设计。每章均有教学提示、教学要求、深化拓宽、案例、小结和习题。本书即可作为高等学校近机械类和非机械类专业控制工程基础课程的教材，也可作为自考教材、高职高专工科机械类、机电类专业教材，并可供相关专业的师生和工程技术人员参考。

吴华春，教授，博士生导师,武汉理工大学机电工程学院副院长。主要研究方向：机电控制与自动化技术、 磁悬浮支承技术、机械工况监测与故障诊断。主持国家自然科学基金、晨光计划等横向项目20余项，发表论文40余篇，国家发明专利授权15项。现任机电工程学院副院长、校“双一流”建设培育项目首席专家、湖北省磁悬浮工程技术研究中心主任、中国磁悬浮技术青年委员会副主任。国家自然科学基金评审专家、中国机械工程学会高级会员、湖北省机电工程学会理事、中国机械工程学会流体工程分会第六届理事会理事。