控制工程基础

图书标准信息

• 作者 董景新；赵长德；郭美凤；陈志勇；刘云峰；李冬梅
• 出版社 清华大学出版社
• 出版时间 2022-12
• 版次 5
• ISBN 9787302614401
• 定价 78.00元
• 装帧 其他
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸
• 页数 444页
• 字数 671千字

【内容简介】

该教材是在董景新等编著的《控制工程基础》第4版的基础上，适应线上线下混合式教学编写。教材第5版采用纸质教材和数字化资源结合的新式教材，这种教材既能保持纸质教材的结构逻辑严谨，又能发挥数字化资源的丰富直观。教材主要面向机械类、仪器类及其他非控制专业本科生。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、计算机控制系统、控制系统的非线性问题、MATLAB软件工具在控制系统分析和综合中的应用、LabVIEW工具在控制系统分析和综合中的应用。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做了介绍；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习题, 便于自学；该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，为了配合该教材的使用，还编写了《控制工程基础实验指导》和《控制工程基础习题解》以供选用。

【作者简介】

董景新,清华大学教授，博士生导师。1981年清华大学研究生毕业。主要从事导航与控制方面的教学和研究工作。兼任中国惯性技术学会监事长、中国航空学会导航控制分会委员、《中国惯性技术学报》编委会副主任委员等。作为课题负责人承担了 “十五”、“十一五”、“十二五”预研项目4项，863项目1项，预研基金项目2项，以及多项开发项目。曾获省部级科研和教学成果一等奖各1项，省部级科研成果三等奖3项，授权发明专利5项。相关教学成果如下：（1）1982年-2014年，作为国家精品课程“控制工程基础”负责人主讲 “控制工程基础”本科生专业基础课程，学生包括清华大学精密仪器系、机械系、汽车系、热能系等。“控制工程基础”课程，获2004年北京市精品课称号。（2）1998年-2014年，作为主讲教师讲授“现代控制理论与方法概论”研究生专业基础课程，学生包括清华大学精密仪器系、机械系、汽车系等。（3）2001年-2014年，负责“控制工程基础”精品课建设项目。（4）负责课程实验室第一期（2001-2003年）、第二期（2004-2010年）建设，完成清华大学985测控教学实验基地“机电控制工程基础”子课题。（5）主编 “控制工程基础”教材（第1、2、3、4版）。

【目录】

1概论

1.1控制理论在工程中的应用和发展

1.2自动控制系统的基本概念

1.2.1自动控制系统的工作原理

1.2.2开环控制与闭环控制

1.2.3反馈控制系统的基本组成

1.2.4自动控制系统的基本类型

1.2.5对控制系统的基本要求

1.3控制理论在机械制造工业中的应用

1.4课程主要内容及学时安排

例题及习题

2控制系统的动态数学模型

2.1微分方程表示的基本环节数学模型

2.1.1质量弹簧阻尼系统

2.1.2电路网络

2.1.3电动机

2.2数学模型的线性化

2.3拉普拉斯变换及反变换

2.3.1拉普拉斯变换的定义

2.3.2简单函数的拉普拉斯变换

2.3.3拉普拉斯变换的性质

2.3.4拉普拉斯反变换

2.3.5借助拉普拉斯变换解常系数线性微分方程

2.4传递函数以及典型环节的传递函数

2.4.1比例环节

2.4.2一阶惯性环节

2.4.3微分环节

2.4.4积分环节

2.4.5二阶振荡环节

2.5系统函数方块图及其简化

2.6系统信号流图及梅森公式

2.7受控机械对象数学模型

2.8绘制实际物理系统的函数方块图

2.9控制系统数学模型的MATLAB实现

2.9.1控制系统在MATLAB中的描述

2.9.2计算闭环传递函数

2.9.3应用举例

*2.10状态空间方程的基本概念

例题及习题

 

 

3时域瞬态响应分析

3.1时域响应以及典型输入信号

3.1.1阶跃函数

3.1.2斜坡函数

3.1.3加速度函数

3.1.4脉冲函数

3.1.5正弦函数

3.2一阶系统的瞬态响应

3.2.1一阶系统的单位阶跃响应

3.2.2一阶系统的单位斜坡响应

3.2.3一阶系统的单位脉冲响应

3.3二阶系统的瞬态响应

3.3.1二阶系统的单位阶跃响应

3.3.2二阶系统的单位脉冲响应

3.3.3二阶系统的单位斜坡响应

3.4时域分析性能指标

3.5高阶系统的瞬态响应

3.6借助MATLAB进行系统时间响应分析

3.6.1基于Toolbox工具箱的时域分析

3.6.2系统框图输入与仿真工具Simulink

3.7时域瞬态响应的实验方法

例题及习题

4控制系统的频率特性

4.1机电系统频率特性的概念及其基本实验方法

4.1.1频率特性概述

4.1.2频率特性的实验求取

4.2极坐标图

4.2.1典型环节的奈氏图

4.2.2奈氏图的一般作图方法

4.3对数坐标图

4.3.1典型环节的伯德图

4.3.2一般系统伯德图的作图方法

4.3.3最小相位系统

4.4由频率特性曲线求系统传递函数

4.5由单位脉冲响应求系统的频率特性

4.6控制系统的闭环频响

4.6.1由开环频率特性估计闭环频率特性

4.6.2系统频域指标

4.7机械系统动刚度的概念

4.8借助MATLAB进行控制系统的频域响应分析

4.8.1频率响应的计算方法

4.8.2频率响应曲线的绘制

例题及习题

5控制系统的稳定性分析

5.1系统稳定性的基本概念

5.2系统稳定的充要条件

5.3代数稳定性判据

5.3.1劳斯稳定性判据

5.3.2赫尔维茨稳定性判据

5.4奈奎斯特稳定性判据

5.4.1映射定理

5.4.2奈奎斯特稳定性判据

5.4.3奈奎斯特稳定性判据应用于最小相位系统

5.5应用奈奎斯特稳定性判据分析延时系统的稳定性

5.5.1延时环节串联在闭环系统的前向通道中时的系统稳定性

5.5.2延时环节并联在闭环系统前向通道中时的系统稳定性

5.6由伯德图判断系统的稳定性

5.7控制系统的相对稳定性

5.7.1采用劳斯判据看系统相对稳定性

5.7.2采用奈奎斯特稳定性判据看系统相对稳定性及其相对稳定性指标

5.8借助MATLAB分析系统稳定性

例题及习题

6控制系统的误差分析和计算

6.1稳态误差的基本概念

6.2输入引起的稳态误差

6.2.1误差传递函数与稳态误差

6.2.2静态误差系数

6.3干扰引起的稳态误差

6.4减小系统误差的途径

6.5动态误差系数

例题及习题

7控制系统的综合与校正

7.1系统的性能指标

7.1.1时域性能指标

7.1.2开环频域指标

7.1.3闭环频域指标

7.1.4综合性能指标（误差准则）

7.2系统的校正概述

7.3串联校正

7.3.1超前校正

7.3.2滞后校正

7.3.3滞后超前校正

7.3.4PID调节器

7.4反馈校正

7.4.1利用反馈校正改变局部结构和参数

7.4.2速度反馈和加速度反馈

7.5用频率法对控制系统进行综合与校正

7.5.1典型系统的希望对数频率特性

7.5.2希望对数频率特性与系统性能指标的关系

7.5.3用希望对数频率特性进行校正装置的设计

7.6典型控制系统举例

7.6.1直流电动机调速系统

7.6.2电压位置随动系统

7.7确定控制方式及参数的其他方法

7.7.1任意极点配置法

7.7.2高阶系统累试法

7.7.3试探法

7.7.4齐格勒尼科尔斯法

7.8MATLAB在系统综合校正中的应用

7.8.1MATLAB函数在系统校正中的应用

7.8.2Simulink在系统综合校正中的应用

例题及习题

8根轨迹法

8.1根轨迹与根轨迹方程

8.1.1根轨迹

8.1.2根轨迹方程及相角、幅值条件

8.2绘制根轨迹的基本法则

8.3其他参数根轨迹图的绘制

8.4根轨迹图绘制举例

8.5系统闭环零点、极点的分布与性能指标

8.5.1闭环零极点分布与阶跃响应的定性关系

8.5.2利用主导极点估算系统性能指标

8.6借助MATLAB进行系统根轨迹分析

8.6.1根轨迹的相关函数

8.6.2利用MATLAB进行系统根轨迹分析

例题及习题

9计算机控制系统

9.1计算机控制系统概述

9.1.1计算机控制系统的组成

9.1.2计算机内信号的处理和传递过程

9.1.3计算机控制系统理论

9.2线性离散系统的数学模型

9.2.1线性常系数差分方程

9.2.2Z变换 

9.2.3脉冲传递函数

*9.2.4离散状态空间模型

9.3线性离散系统的性能分析

9.3.1线性离散系统的稳定性分析

9.3.2线性离散系统的稳态误差分析

9.4计算机控制系统的模拟化设计方法

9.4.1数字校正环节的近似设计方法

9.4.2数字PID控制器

9.5MATLAB在计算机控制系统中的应用

9.5.1Z变换和Z反变换

9.5.2连续系统的离散化方法

9.5.3利用Toolbox工具箱分析离散系统

9.5.4利用Simulink分析离散系统

例题及习题

*10控制系统的非线性问题

10.1概述

10.1.1典型的非线性类型

10.1.2分析非线性系统的方法

10.2描述函数法

10.2.1定义

10.2.2饱和放大器

10.2.3两位置继电特性

10.2.4死区

10.2.5三位置继电特性

10.2.6间隙

10.2.7利用描述函数法分析非线性系统稳定性

10.3相轨迹法

10.3.1相轨迹的作图法

10.3.2奇点

10.3.3从相轨迹求时间信息

10.3.4非线性系统的相平面分析

10.4李雅普诺夫稳定性方法

10.5借助MATLAB分析系统非线性

10.5.1非线性系统的时域及频域特性的MATLAB实现

10.5.2非线性系统的相平面图

例题及习题

11基于LabVIEW的控制系统动态仿真演示软件

11.1LabVIEW介绍

11.2借助LabVIEW建立和分析控制系统

11.2.1在LabVIEW中创建一个虚拟仪器（VI）

11.2.2系统参数输入

11.2.3系统模型建立、分析及仿真

11.2.4系统结果输出

11.3借助LabVIEW分析控制系统的时域特性

11.3.1系统传递函数输入

11.3.2时域特性分析

11.4借助LabVIEW分析控制系统的频率特性

11.4.1系统传递函数输入

11.4.2系统频域特性分析

11.4.3开环系统伯德图绘制

11.4.4闭环系统的频率特性

11.5借助LabVIEW分析控制系统的稳定性

11.6借助LabVIEW分析控制系统的稳态误差

11.7LabVIEW在系统综合校正中的应用

11.8借助LabVIEW进行系统根轨迹分析

 

附录A拉普拉斯变换表

附录B高阶最优模型最佳频比的证明

部分习题参考答案

参考文献