控制工程基础 第4版
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作者燕山大学 孔祥东 姚成玉
出版社机械工业出版社
ISBN9787111609513
出版时间2019-05
装帧平装
开本16开
定价39.8元
货号1201908193
上书时间2024-05-21
商品详情
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目录
序言
第4版前言
第3版前言
第2版前言
第1版前言
第1章绪论1
1.1概述1
1.2控制系统的基本概念3
1.2.1控制系统的工作原理4
1.2.2开环控制系统与闭环控制系统5
1.2.3闭环控制系统的基本组成6
1.2.4控制系统的基本类型7
1.2.5对控制系统的基本要求8
1.3控制工程基础的主要任务与知识体系9
1.3.1主要任务9
1.3.2知识体系9
本章小结10
习题10
第2章控制系统的数学模型11
2.1控制系统的微分方程及线性化方程11
2.1.1机械系统的微分方程11
2.1.2电气系统的微分方程14
2.1.3液压系统的线性化微分方程16
2.1.4机电液系统的相似性18
2.2拉普拉斯变换及反变换19
2.2.1拉普拉斯变换及其运算法则19
2.2.2拉普拉斯反变换及其计算方法23
2.3传递函数及基本环节的传递函数30
2.3.1传递函数30
2.3.2基本环节的传递函数32
2.4框图及其简化35
2.4.1框图组成及连接方式35
2.4.2框图等效变换39
2.4.3梅逊公式42
本章小结46
习题46
第3章控制系统的时域分析51
3.1控制系统的时间响应及性能指标51
3.1.1典型输入信号51
3.1.2时间响应概述54
3.1.3瞬态性能指标56
3.1.4稳态性能指标58
3.2一阶系统的时域分析58
3.2.1一阶系统的数学模型58
3.2.2一阶系统的时间响应59
3.2.3一阶系统的瞬态性能指标61
3.3二阶系统的时域分析62
3.3.1二阶系统的数学模型62
3.3.2二阶系统的单位阶跃响应63
3.3.3欠阻尼二阶系统的瞬态性能指标66
3.4高阶系统的时域分析72
3.5稳定性及其劳斯稳定判据73
3.5.1稳定性的概念73
3.5.2线性定常系统稳定的充要条件74
3.5.3劳斯稳定判据75
3.6稳态误差分析与计算82
3.6.1误差的定义82
3.6.2稳态误差的基本概念83
3.6.3稳态误差的计算85
3.7根轨迹法89
3.7.1根轨迹的基本概念89
3.7.2幅值条件和相角条件90
3.7.3根轨迹的绘制91
本章小结95
习题95
第4章控制系统的频域分析98
4.1频率特性的基本概念98
4.2频率特性图形表示法102
4.2.1Nyquist图102
4.2.2Bode图108
4.2.3最小相位系统118
4.3几何稳定判据120
4.3.1奈氏判据120
4.3.2对数判据122
4.4相对稳定性123
4.4.1相角裕度和幅值裕度123
4.4.2相对稳定性的计算与分析125
4.5闭环频率特性128
4.5.1由开环频率特性估计闭环频率特性128
4.5.2闭环系统的频域性能指标129
4.5.3系统辨识的概念130
本章小结134
习题135
第5章控制系统的综合与校正139
5.1概述139
5.1.1校正的概念和实质139
5.1.2控制系统的性能指标140
5.1.3校正方法142
5.1.4校正方式142
5.2基本控制规律及PID参数整定143
5.2.1基本控制规律及其作用144
5.2.2PID参数整定方法146
5.3串联校正148
5.3.1相位超前校正装置149
5.3.2相位滞后校正装置150
5.3.3相位滞后超前校正装置153
5.3.4串联校正装置的设计155
5.4反馈校正162
5.4.1反馈的作用163
5.4.2反馈校正装置的设计163
5.5复合校正166
5.5.1按给定量顺馈补偿控制器的设计166
5.5.2按扰动量前馈补偿控制器的设计170
本章小结170
习题171
附录175
附录AMATLAB/Simulink软件在控制工程中的应用实例175
附录B阀控缸位置闭环控制系统实践项目工程教学案例185
附录C转速反馈直流调速控制系统的分析与综合192
习题参考答案201
参考文献207
内容摘要
本书由燕山大学液压专业与自动化专业合作编写，由华中科技大学李培根院士作序，并由浙江大学杨华勇院士和北京航空航天大学焦宗夏教授任主审。本书此次修订按照打造新工科精品教材的要求，以“培养新素养 形成新能力”为牵引重构课程边界、按教学实践积累总结和新工科要求重塑课程知识点、按与时俱进的时代特征要求提供多媒体教学内容，使内容更为优化，更切合时代需求。本书主要介绍控制工程中分析和综合线性定常系统的时域与频域的理论和方法，内容包括绪论、数学模型、时域分析、频域分析、综合与校正。本书融入有针对性的例题，并精选习题，附有MATLAB/Simulink软件在控制工程中的应用实例、实践项目工程教学案例、控制系统的分析与综合以及习题参考答案。本书配套有PPT教学课件和微信公众教学资源（登录方法见封底勒口）。微信公众教学资源包括教学课件、习题详解、扩展阅读等内容，以便于学习与交流互动。本书适于作泛机械类工科专业的教材，也可供有关科技人员参考。
精彩内容
序 言2017年2月，教育部发布了“新工科”计划。在“新工科”计划推进之际，孔祥东教授等即推出了基于创新教育新思想和新方法的力作——《控制工程基础》（第4版）书稿，令人欣喜。华中科技大学和燕山大学两校在液压专业等诸多学科有着广泛的学术交流。燕山大学作为河北省、教育部、工业与信息化部、国防科工局四方共建的全国重点大学，在与控制工程相关的流体传动与电液伺服控制技术、工业自动化控制理论与技术等研究领域具有国际优选水平。燕山大学是国内首批加入工程教育改革的高校之一。作为教育部选定的两所高校之一，燕山大学的工程教育专业认证接受了《华盛顿协议》国际专家的观摩考察，支撑了我国正式加入《华盛顿协议》，体现了其工程教育实力。本书是在传承前3版教材基础上的再创新，契合了工程教育的改革方向。课程和教材是专业知识结构和体系的基础。控制工程基础是为泛机械类工科专业开设的学科基础课，也是学科交叉课，是研究如何控制各种被控对象或系统使其动态和稳态性能达到期望性能的工程基础理论和技术。控制工程基础的重要性在于它的基础性，其大量的概念、方法、原理和理论，对于泛机械类工科专业的后续课程和控制工程的许多学科分支，都具有十分重要的作用。控制科学的应用和影响已经遍及国民经济的各个领域，大到航空航天、航海、高铁，小到家电、3C、网络通信，而贯穿其中的系统、动态、协调之思想和方法更丰富了方法论。在实际工程中，机电液技术被广泛应用，机器设备的运行离不开机械本体、电液传动与控制系统（类比于人之骨骼、肌肉与神经系统），这就需要泛机械类工科学生具备一定的机电液多学科的空间感乃至大工程观。本书的一大特色正是将自动控制技术与机电液系统相结合，研究工程系统自动控制问题的基础理论和技术。燕山大学编写的《控制工程基础》教材，自第1版出版以来已近30年，已为多所高校采用并广受好评。这些教学实践，为提高和改善本书的质量，特别是使本书的安排和编写更加符合泛机械类工科学生的认识规律，处理好抽象性和直观性，以及数学方法和工程概念间的关系，提供了重要的帮助。以孔祥东教授为带头人的机电液一体化重量教学团队，在轧机厚控系统、压机控制系统、电液比例与伺服控制系统等领域完成了多项国家、省部级重大课题和工程项目，其所形成的工程视角和学术思考，为教材的顶层设计和边界再设计提供了基础。本书以大学泛机械类工科为背景，系统且有重点地阐述了分析和综合线性定常系统的时域、频域理论和方法，并适应科技的发展，更新了教材知识内容，重构了课程知识体系。本书体现了关联、启发教学设计的思想。如将梅逊公式并入“24框图及其简化”一节中，删除了信号流图，使得框图等效变换与梅逊公式呈并列且递进关系，直接由框图使用梅逊公式，可以化繁为简，以问题为导向；同时，知识点之后留有启发思考和分析总结内容，并关联后续章节，如框图特征式全文协调、引申出特征方程等。又如在“35稳定性及其劳斯稳定判据”一节中，注意稳定性定义与后续课程内容如李雅普诺夫稳定性的关联协调，通过判定系统的稳定性和开环稳定性，将概念模糊、学生疑问之处解析清楚。将劳斯表列写方法用图示化方法给出，并对两种特殊情况进行分析总结，内容编写以学生为视角，将启发、引申、关联穿插其中，简练而有特色，读之宛若师生互动。本书第3版出版至今已有10年。10年间，以全球化、网络化为代表的一系列颠覆性技术的发展，使得教育、学习、信息共享的方式都发生了深刻的变化。今天，智能手机已广为普及，大学生可以随时利用智能手机上网。本书推出适应网络化与新媒体特征的教学课件、微信公众教学资源，用以同步辅助教学，与学生交互，切合智能手机时代的信息获取与学习特征，便于学生随时查询和学习课程内容，进行扩展阅读，反馈问题，使碎片知识、查询式学习成为正式学习的良好补充，这是本书所提供的与时俱进的创新教学模式。总之，本书的编写团队对于教材、教学内容及教学方法进行了诸多新的尝试，这是难能可贵的。如何构建工科新的教材体系及新的教材，体现基础知识、工程知识与前沿知识的交融，并兼具凝炼固化与改进开放，且充分利用现代科技的多元、交互、易学、易传播的特点，这都有待工程教育工作者的探索与实践，甚至社会科技力量的参与和创新，正所谓“独行快，众行远”。本书的出版，对更新该门课程知识、改善教学教材现状将起到积极的作用。工程改变世界，科技创造未来，工程教育决定着人类的今天，更关系到人类的未来。最后，希望学习和使用本书的同学们，在学习过程中不断超越，为成为创新型很好的工程人才奠定基础；也希望使用本书的教师们为探索新的教学方法、重塑工程教育文化做出自己的贡献！华中科技大学教授2018年10月第4版前言本书第3版荣获中国机械工业科学技术奖三等奖。本书前3版分别于1989年、2000年、2008年出版，累计30余印次，深受高校师生与读者的好评、支持和肯定。本书自第3版出版以来，我们得到了兄弟院校师生反馈的许多宝贵建议。为打造精品教材，编者在教学一线与科研实践中不断思考和总结。适逢教育部推出以培养未来多元化、创新型很好工程人才为目标的“新工科”计划，以适应新科技革命、新产业革命和新经济发展背景下对工程教育的新需求。为此，我们根据“新工科”计划并在教学实践积累总结的基础上，对本书进行了边界再界定和内容再修订。本次修订的内容主要有以下几个方面：（1） 按培养新素养、形成新能力的要求确定课程边界控制工程基础是为泛机械类工科专业开设的学科基础课，也是学科交叉课，其大量的概念、方法和原理，对于泛机械类工科专业的后续课程和控制工程的许多学科分支，都具有十分重要的基础作用。基于此，本书设计总学时为32～40学时（授课28～36学时，实验4学时），主要针对经典控制理论中的线性定常系统，阐明控制工程的模型、分析和控制三个基本问题。全书共分5章，内容包括绪论、数学模型、时域分析、频域分析、综合与校正。（2） 按教学实践积累、总结和“新工科”要求重塑课程知识点本书编写团队涵盖了机械、液压和自动化等专业的教师，具有丰富的教学与科研经验，在总结第3版以来的教学规律和经验，汲取兄弟院校教学实践中的建议和意见，尤其是在“新工科”对工程教育的改革方向和要求的基础上，对全书重新编排和调整，对各章内容进行更新和凝炼，对核心知识点进行凸显和关联，对例题和习题进行修改和精炼，新增课程“工程实践项目教学案例”和“控制系统的分析与综合工程实例”，并有MATLAB/Simulink软件在控制工程中的应用实例和习题参考答案。（3） 按与时俱进的时代特征要求提供多媒体教学内容为切合新媒体时代的信息获取与学习特征，本书配有PPT教学课件（请使用本书的老师到机械工业出版社教育服务网www.cmpedu.com下载）；同时，本书配套微信公众教学资源（有教学课件、习题详解、扩展阅读等内容，登录方法见封底勒口），用于同步辅助教学，便于教学互动、各校互联、反馈改进，方便学生随时查询和学习课程内容，进行延伸关联阅读，使碎片式、查询式学习与正式学习相互补充，有利于进行大数据反馈分析并持续改进，提升教学与教材质量。本书由燕山大学孔祥东教授、姚成玉教授担任主编。第1～2章、附录B由孔祥东教授和艾超副教授编写，第3章和附录A由姚成玉教授编写，第4章由王跃灵博士后和王洪斌教授编写，第5章及附录C由李建雄副教授和方一鸣教授编写。各章教学课件和习题详解由各章编者完成。全书由孔祥东教授、姚成玉教授统稿。研究生陈立娟为本书部分内容的编写给予了帮助。衷心感谢华中科技大学前校长、中国机械工程学会第十一届理事会理事长、教育部机械类教学指导委员会主任委员（2013～2017年）、中国工程院院士李培根教授为本书作序。衷心感谢浙江大学机械工程学院院长、中国工程院院士杨华勇教授和北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院院长、长江学者特聘教授焦宗夏担任本书主审。本书是在前3版基础上进一步改进和更新完成的，这里向不再参与本次编写但具有历史性贡献的编者——东北重型机械学院/燕山大学王益群、李久彤、韩德才、高英杰、焦晓红、祁晓野、权凌霄和西安交通大学的阳含和、杨公仆、王馨等以及前3版的主审东北大学周士昌、西安交通大学史维祥、北京航空航天大学王占林、上海交通大学范崇托等表示崇高的敬意。燕山大学焦晓红教授审阅了本书部分章节，东北大学段洪君、湖南师范大学金耀、武汉轻工大学严清华、北京信息科技大学陈秀梅、同济大学靳文瑞、湘潭大学张大兵、内蒙古工业大学孟瑞锋、河北科技大学陈继荣、河北科技师范学院陈春明等兄弟院校的任课教师，以及燕山大学李慧剑、刘爽、李峰磊、刘志新、贺有智、杨晟刚、罗小元、马锴、唐英干等教师提出了许多宝贵意见或修订建议，在此一并表示衷心的感谢。衷心感谢机械工业出版社责任编辑刘小慧老师多年来对本书第3、4版工作的支持和帮助。本书难免有漏误和不足，敬请读者批评指正。联系方式：邮箱control@ysueducn，电话13930358822（QQ微信同号）。编者2018年10月第3版前言本书在《控制工程基础》第2版（王益群、孔祥东主编，机械工业出版社，2000）的基础上重新修订编写，是普通高等教育“十一五”重量规划教材。本书在编写过程中结合编者近几年的教学改革经验、科研积累以及读者的反馈意见，并广泛参考了国内外同类教材和相关文献，从教学、考研及工程实用性需求等角度出发，力求做到使教材内容概念表达准确、知识结构调整合理、教学安排层次清晰，并进一步突出“控制工程基础”的主要特点。本书主要介绍工程中广为应用的经典控制理论和现代控制理论中系统分析与综合的基本方法。全书共分十章：前六章属于经典控制理论中的线性定常连续控制系统问题，阐明了自动控制的三个基本问题，即模型、分析和控制；第七章和第八章分别为非线性系统及采样控制系统；第九章为现代控制理论基础；第十章为典型控制系统的分析与设计实例。本书主要在以下几个方面进行了删改和补充：（1） 调整知识构成体系增加了在工程中经常应用的根轨迹法；增添了现代控制理论内容，如第九章“现代控制理论基础”；突出机电系统作为主要控制对象，适当增加了工程控制系统实际应用的例子，如第十章“典型控制系统的分析与设计实例”等；精简了部分章节的内容。（2） 调整章节结构体系在本书经典控制理论部分中，以时域分析、根轨迹法、频率分析为主线，将原来独立成章的“控制系统的稳定性分析”和“控制系统的误差分析和计算”进行拆分，融入上述主线中，使知识构成和结构体系更加合理，也便于学习和阅读。（3） 调整增添例题、习题对不够典型且已陈旧的例题和习题进行了删减，增加了与工程应用结合紧密、具有代表性的例题和习题。部分习题附有参考答案。（4） 集中介绍软件应用在附录“基于MATLAB的控制系统分析与设计”中作为专题来论述MATLAB和Simulink软件在控制工程中的应用，便于读者查阅。使用本书讲授课程约需50学时，实验约需6学时。凡有“*”号的章节，属加深拓宽的内容，各学校可根据教学时数安排酌情讲授。本书由燕山大学孔祥东教授、王益群教授主编。参加编写工作的有孔祥东教授（第一章、第二章）、高英杰教授（第三章、第五章）、姚成玉副教授（第四章、附录、习题及答案）、方一鸣教授（第六章、第七章、第八章）、王洪斌教授（第九章、第十章）。全书由孔祥东、王益群教授统稿，姚成玉副教授协助整理。研究生权凌霄、谷彦鹏、赵琳琳、李萍等为本书部分章节的文字和绘图工作给予了帮助。本书由北京航空航天大学王占林教授、上海交通大学范崇托教授主审。燕山大学王跃灵、刘爽、魏立新副教授等提出了许多宝贵意见。在此一并表示衷心感谢。由于编者水平所限，书中缺点和错误之处在所难免，欢迎读者批评指正。联系方式：control@ysu.edu.cn。编者2007年5月第2版前言根据全国高校机械工程教学指导委员会1998年武汉会议的决定，我们修订了这本适应教学计划40～50学时的“控制工程基础”教材。本书是在原《控制工程基础》（王益群、阳含和主编，机械工业出版社，1989）统编教材的基础上，结合编者近些年教改实践和计算机技术的普及重新编写而成的。本书以介绍工程上广为应用的经典控制论为主，以使读者能够学会信息处理和系统分析与综合的基本方法。在编写时，力求重点突出，使读者对经典控制论有较全面的了解。考虑到近些年计算机应用的推广和求解手段的进步，还简要介绍了计算机采样控制系统和控制系统计算机辅助分析的基本方法，以使读者建立起这方面的基本概念。全书共分九章，包括绪论、数学模型、时域响应分析、频域响应分析、稳定性分析、误差分析、系统的综合与校正、非线性系统和计算机采样控制系统等。有“*”号的章节为加深拓宽的内容，可根据需要选讲。本书在论述上力求做到概念准确、层次清晰、深入浅出、易教易学，适当结合机、电、液方面编入一些易于理解的例题和习题。本书适于作机械设计制造及其自动化、材料成型与控制工程专业及其他非电类专业的教材，也可供有关科技人员参考。本书由燕山大学王益群教授、孔祥东教授主编。参加编写工作的有王益群（第一章）、孔祥东（第二章、第四章、第五章）、李久彤（第三章）、高英杰（第六章、附录）、焦晓红（第七章、第八章）、方一鸣（第九章）。本书由西安交通大学史维祥教授主审。2000年4月在秦皇岛燕山大学召开了本书的审稿会，西安交通大学、北京航空航天大学、燕山大学和机械工业出版社的有关专家出席了会议并提出了许多宝贵意见，在此，对上述单位及有关专家表示衷心感谢。由于编者水平有限，书中如有不当之处，恳请读者批评指正。编者2000年5月第1版前言根据全国高等学校工科机电类1986～1990年教材编审、出版规划，全国流体传动及控制教材编审组于1983年12月和1984年12月先后两次在西安开会，起草并通过了本书的教学大纲。1986年10月在南京召开的流体传动及控制专业教材编审组会议上，根据加强基础、增强适应性的精神，对本书的编写内容又做了进一步讨论。本书就是按照上述会议所通过的大纲，结合编者多年的教学实践编写而成的。本书以介绍工程上广为应用的经典控制论为主，以期读者能够学会信息的处理和系统的分析和综合，为学习专业课程和进一步学习控制理论打下基础。鉴于频域法是经典控制论的核心，故在阐述上以频域法为主线展开，同时还介绍了瞬态分析法、根轨迹法、控制系统的非线性分析等，力求重点突出，使读者对经典控制论有较全面的了解。考虑时延环节在工程上广泛存在，故设置了一章介绍时延控制系统分析。又因多数院校在大学本科教学中未单独设置现代控制理论课程，故又设置了现代控制理论概述一章。书中凡有“*”号的章节，属加深拓宽的内容，各校可视具体情况进行适当增减。本书在论述上力求做到概念准确、层次清晰、深入浅出、精讲多练，适当结合机、电、液方面编入一些易于理解的例题和一定数量的习题，以加深对基本概念的理解。本书适于作流体传动及控制专业及其他机械类专业的教材，也可供有关科技人员参考。本书由东北重型机械学院（秦皇岛分校）王益群教授和西安交通大学阳含和教授主编。阳含和教授生前对本书的编写大纲提出过精辟、有益的见解。参加编写工作的有东北重型机械学院（秦皇岛分校）王益群（第三章、第四章、第八章、附录）、李久彤（第五章、第六章）、韩德才（第九章、第十章、第十一章）、西安交通大学杨公仆（第一章、第七章）、王馨（第二章）。本书由东北工学院周士昌教授主审。1988年8月在秦皇岛燕山大学（东北重型机械学院分校）召开了审稿会，东北工学院、北京理工大学、太原工业大学、甘肃工业大学、沈阳工业大学的代表参加了会议并提出许多宝贵意见。燕山大学徐征明教授审阅了本书的部分章节，编者和宋维公教授进行过讨论，祈晓野同志在计算机应用方面给予了积极的帮助。在此，对上述单位及有关人员一并表示衷心感谢。由于编者水平有限，书中缺点和错误在所难免，恳请广大读者批评指教。编者1988年10月目录序言第4版前言第3版前言第2版前言第1版前言第1章绪论111概述112控制系统的基本概念3121控制系统的工作原理4122开环控制系统与闭环控制系统5123闭环控制系统的基本组成6124控制系统的基本类型7125对控制系统的基本要求813控制工程基础的主要任务与知识体系9131主要任务9132知识体系9本章小结10习题10第2章控制系统的数学模型1121控制系统的微分方程及线性化方程11211机械系统的微分方程11212电气系统的微分方程14213液压系统的线性化微分方程16214机电液系统的相似性1822拉普拉斯变换及反变换19221拉普拉斯变换及其运算法则19222拉普拉斯反变换及其计算方法2323传递函数及基本环节的传递函数30231传递函数30232基本环节的传递函数3224框图及其简化35241框图组成及连接方式35242框图等效变换39243梅逊公式42本章小结46习题46第3章控制系统的时域分析5131控制系统的时间响应及性能指标51311典型输入信号51312时间响应概述54313瞬态性能指标56314稳态性能指标5832一阶系统的时域分析58321一阶系统的数学模型58322一阶系统的时间响应59323一阶系统的瞬态性能指标6133二阶系统的时域分析62331二阶系统的数学模型62332二阶系统的单位阶跃响应63333欠阻尼二阶系统的瞬态性能指标6634高阶系统的时域分析7235稳定性及其劳斯稳定判据73351稳定性的概念7335
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