本書(shū)共6章,第1章主要介紹了開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制的原理,控制過(guò)程的物理本質(zhì),單變量反饋控制系統(tǒng)的組成和分類,以及系統(tǒng)基本要求的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性概念。第2章主要介紹了數(shù)學(xué)模型的概念、建模方法、拉普拉斯變換、傳遞函數(shù)、數(shù)學(xué)模型的圖解方法。第3章主要介紹了控制系統(tǒng)時(shí)域分析,包括穩(wěn)定性分析、瞬態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)誤差分析與計(jì)算。第4章主要介紹了控制系統(tǒng)的頻域分析,包括頻域響應(yīng)與頻率特性的概念、頻率特性的圖解方法、控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性、頻域性能指標(biāo)與時(shí)城性能指標(biāo)的關(guān)系。第5章主要介紹了PID控制律及基于頻域分析的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和校正。第6章為應(yīng)用實(shí)例,以硬盤(pán)為控制對(duì)象,運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù),進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正。如此安排教學(xué)內(nèi)容,有助于讀者循序漸進(jìn)掌握控制工程的知識(shí);其它專業(yè)教師選用本書(shū)時(shí),適當(dāng)取舍內(nèi)容后可適應(yīng)不同層次及不同專業(yè)的教學(xué)要求?刂乒こ袒A(chǔ)是機(jī)械類專業(yè)本科生必修的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課。武漢理工大學(xué)從上世紀(jì)70年代開(kāi)始開(kāi)設(shè)控制工程基礎(chǔ)課程,是全國(guó)最早開(kāi)設(shè)此課程的高校之一。武漢理工大學(xué)教師經(jīng)過(guò)幾十年的教學(xué)和科研實(shí)踐,在教學(xué)內(nèi)容、教材和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等方面積累了很多寶貴經(jīng)驗(yàn)和科研案例素材,并力圖將這些經(jīng)驗(yàn)體會(huì)、案例素材融入本書(shū)的內(nèi)容中,以便讀者能更全面、更深入地了解控制工程基礎(chǔ)的全貌。特別案例與理論的融合、現(xiàn)代輔助設(shè)計(jì)引入。
前言
在科學(xué)研究與社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的過(guò)程中,將人類從復(fù)雜、危險(xiǎn)、煩瑣的勞動(dòng)環(huán)境中解放出來(lái),并大大提高其控制效率,控制工程技術(shù)起著越來(lái)越重要的作用?刂乒こ淌枪こ炭茖W(xué)的一個(gè)分支,它涉及利用反饋原理對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的自動(dòng)影響,以使得輸出值接近期望值。而每一次新的控制理論、控制方法、控制設(shè)備的出現(xiàn),也促進(jìn)了其他學(xué)科與工程技術(shù)的發(fā)展?刂乒こ碳夹g(shù)已經(jīng)成為從事科學(xué)研究與社會(huì)生產(chǎn)的技術(shù)人員必須掌握的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)。
“控制工程基礎(chǔ)”是機(jī)械類專業(yè)本科生必修的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課。武漢理工大學(xué)在20世紀(jì)70年代就開(kāi)設(shè)了“控制工程基礎(chǔ)”課程,是全國(guó)zui早開(kāi)設(shè)此課程的高校之一。武漢理工大學(xué)的教師經(jīng)過(guò)幾十年的教學(xué)和科研實(shí)踐,在教學(xué)內(nèi)容、教材和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等方面積累了很多寶貴經(jīng)驗(yàn)和科研案例素材,并力圖將這些經(jīng)驗(yàn)體會(huì)、案例素材融入本書(shū)的內(nèi)容中,以便讀者能更全面、更深入地了解“控制工程基礎(chǔ)”的全貌。
1.課程簡(jiǎn)介
“控制工程基礎(chǔ)”是控制理論在機(jī)械工程實(shí)踐中具體應(yīng)用的分支學(xué)科,它的研究對(duì)象是工程中的各種功率流、物質(zhì)流、信息流的控制系統(tǒng),其內(nèi)容著重從信息的角度,闡述和討論各種控制系統(tǒng)性能的理論分析方法和控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法。
“控制工程基礎(chǔ)”課程主要介紹經(jīng)典控制理論,闡述和討論單輸入單輸出系統(tǒng)的理論分析方法和以校正方法為主的系統(tǒng)綜合方法。
“控制工程基礎(chǔ)”課程的特點(diǎn)是理論性、邏輯性較強(qiáng),概念術(shù)語(yǔ)多,需要用到微分方程、復(fù)變函數(shù)、拉氏變換等數(shù)學(xué)工具。因此,課程教學(xué)應(yīng)強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際,從物理本質(zhì)、數(shù)學(xué)描述等方面闡明物理概念,以基本概念為核心,以基本原理、基本方法為主線進(jìn)行教學(xué)。在教學(xué)體系上以系統(tǒng)分析為重點(diǎn),按分析方法展開(kāi),從時(shí)域分析逐漸進(jìn)入頻域分析,從連續(xù)系統(tǒng)再到離散系統(tǒng)。講授本課程時(shí),要求學(xué)生自學(xué)MATLAB語(yǔ)言,并能用該語(yǔ)言解答習(xí)題和進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
2.課程知識(shí)點(diǎn)索引
1)控制系統(tǒng)及建模系統(tǒng)(控制、控制系統(tǒng));自動(dòng)控制;開(kāi)環(huán)控制;閉環(huán)控制;復(fù)合控制;恒值控制;程序控制;伺服控制;連續(xù)控制;離散控制;穩(wěn)定性;準(zhǔn)確性;快速性;反饋(正、負(fù));數(shù)學(xué)模型;解析建模;實(shí)驗(yàn)建模;微分方程;標(biāo)準(zhǔn)型;負(fù)載效應(yīng)。
2)傳遞函數(shù)典型環(huán)節(jié);拉氏變換;線性定理;微分定理;積分定理;延遲定理;位移定理;初值定理;終值定理;拉氏反變換;待定系數(shù);簡(jiǎn)單極點(diǎn);復(fù)數(shù)極點(diǎn);重極點(diǎn);方框圖;計(jì)算法則;等效法則;梅森公式;開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù);閉環(huán)傳遞函數(shù);偏差傳遞函數(shù)。
3)時(shí)間響應(yīng)典型信號(hào);時(shí)間響應(yīng);階躍響應(yīng);脈沖響應(yīng);速度響應(yīng);微積分性質(zhì);穩(wěn)態(tài)分量;瞬態(tài)分量;欠阻尼;臨界阻尼;過(guò)阻尼;零阻尼;負(fù)阻尼;性能指標(biāo);上升時(shí)間;峰值時(shí)間;調(diào)整時(shí)間;平穩(wěn)性;振蕩次數(shù);zui大超調(diào)量;穩(wěn)態(tài)誤差;終值定理;誤差系數(shù);位置誤差系數(shù);速度誤差系數(shù);加速度誤差系數(shù)。
4)頻率響應(yīng)頻率響應(yīng);頻率特性;幅頻特性;相頻特性;實(shí)頻特性;虛頻特性;極坐標(biāo)圖(Nyquist圖,奈奎斯特圖);對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖(Bode圖,伯德圖);zui小相位;相位交界頻率;幅值交界頻率;相位裕量;幅值裕量;諧振頻率;諧振峰值;截止頻率;勞斯判據(jù);勞斯陣列;內(nèi)積、外積;復(fù)角定理;奈奎斯特判據(jù);伯德判據(jù);穿越。
5)系統(tǒng)分析及校正校正;校正裝置(控制器);校正實(shí)質(zhì);校正方式;串聯(lián)校正;反饋校正;順饋校正;干擾補(bǔ)償;P校正;PI校正;PD校正;PID校正。
本書(shū)共6章。第1章介紹了開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制的原理,控制過(guò)程的物理本質(zhì),單變量反饋控制系統(tǒng)的組成和分類,以及系統(tǒng)基本要求的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性概念。第2章介紹了數(shù)學(xué)模型的概念、建模方法、拉普拉斯變換、傳遞函數(shù)、數(shù)學(xué)模型的圖解方法。第3章介紹了控制系統(tǒng)時(shí)域分析,包括穩(wěn)定性分析、瞬態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)誤差分析與計(jì)算。第4章介紹了控制系統(tǒng)的頻域分析,包括頻域響應(yīng)與頻率特性的概念,頻率特性的圖解方法,控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性,頻域性能指標(biāo)與時(shí)域性能指標(biāo)的關(guān)系。第5章介紹了PID控制規(guī)律及基于頻域分析的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和校正。第6章為應(yīng)用實(shí)例,以硬盤(pán)為控制對(duì)象,運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù),進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正。如此安排教學(xué)內(nèi)容,有助于讀者循序漸進(jìn)掌握控制工程的知識(shí);其他專業(yè)教師選用本書(shū)時(shí),適當(dāng)取舍內(nèi)容后可適應(yīng)不同層次及不同專業(yè)的教學(xué)要求。
本書(shū)由武漢理工大學(xué)吳華春、石志良、張和平、周斌編著,吳華春統(tǒng)稿。具體編寫(xiě)分工為:石志良編寫(xiě)第2、3章,張和平編寫(xiě)第4章,周斌編寫(xiě)第2章部分、吳華春編寫(xiě)其余章節(jié)。書(shū)中部分內(nèi)容參考了相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品資料和兄弟院校同行作者的有關(guān)文獻(xiàn),在此對(duì)書(shū)中所列參考文獻(xiàn)、引用的相關(guān)教材與資料的作者、譯者和單位一并表示感謝!
由于編者水平有限,書(shū)中難免存在不足及欠妥之處,懇請(qǐng)同行及廣大讀者批評(píng)指正。
編著者
2017年3月于武漢
目錄
第1章緒論(1)
1.1控制理論的基本含義(1)
1.1.1經(jīng)典控制理論(2)
1.1.2現(xiàn)代控制理論(2)
1.2控制系統(tǒng)的基本概念(3)
1.2.1系統(tǒng)的概念(3)
1.2.2控制與自動(dòng)控制的概念(3)
1.3控制系統(tǒng)的工作原理與組成(4)
1.3.1控制系統(tǒng)的工作原理(4)
1.3.2控制系統(tǒng)的組成(6)
1.4控制系統(tǒng)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(hào)的性質(zhì)分類(8)
1.4.3按傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類(9)
1.5控制系統(tǒng)的性能要求(9)
本章小結(jié)(10)
習(xí)題(11)
第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(12)
2.1控制系統(tǒng)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(tǒng)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(shí)間函數(shù)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(tǒng)的傳遞函數(shù)(26)
2.3.1傳遞函數(shù)的定義(26)
2.3.2傳遞函數(shù)的基本性質(zhì)(27)
2.3.3典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)(28)
2.4系統(tǒng)方框圖及其簡(jiǎn)化(33)
2.4.1控制系統(tǒng)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(jiǎn)化(36)
2.5控制系統(tǒng)常用傳遞函數(shù)(39)
2.5.1閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)(39)
2.5.2給定輸入作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)(40)
2.5.3擾動(dòng)作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)(40)
2.6信號(hào)流圖和梅遜公式(41)
2.6.1信號(hào)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(wèn)題的提出(45)
2.7.2非線性數(shù)學(xué)模型的線性化(45)
2.8控制系統(tǒng)建模舉例(47)
本章小結(jié)(49)
習(xí)題(50)
第3章控制系統(tǒng)的時(shí)域分析(54)
3.1時(shí)域響應(yīng)(54)
3.2典型輸入信號(hào)(55)
3.3一階系統(tǒng)的時(shí)域分析(57)
3.3.1一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)(58)
3.3.2一階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)(59)
3.4二階系統(tǒng)的時(shí)域分析(59)
3.4.1二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)(60)
3.4.2控制系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)(63)
3.4.3二階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)(66)
3.5高階系統(tǒng)的時(shí)域分析(69)
3.5.1高階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)(69)
3.5.2主導(dǎo)極點(diǎn)(71)
3.5.3高階系統(tǒng)階躍性能指標(biāo)(72)
3.6控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析(73)
3.6.1穩(wěn)定的概念(73)
3.6.2穩(wěn)定的條件(74)
3.6.3勞斯穩(wěn)定判據(jù)(76)
3.7控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析(79)
3.7.1偏差及誤差的概念(79)
3.7.2系統(tǒng)的類型和偏差系數(shù)(81)
3.7.3擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差(83)
3.7.4控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度改善措施(84)
本章小結(jié)(85)
習(xí)題(86)
第4章控制系統(tǒng)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(yīng)(89)
4.1.2頻率特性(90)
4.1.3頻率特性的求取方法及表達(dá)方式(91)
4.2典型環(huán)節(jié)的頻率特性(95)
4.2.1比例環(huán)節(jié)(95)
4.2.2慣性環(huán)節(jié)(95)
4.2.3一階微分環(huán)節(jié)(98)
4.2.4二階振蕩環(huán)節(jié)(99)
4.2.5積分環(huán)節(jié)(103)
4.2.6延遲環(huán)節(jié)(104)
4.3控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性(105)
4.3.1最小相位系統(tǒng)(105)
4.3.2系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)奈奎斯特圖的繪制(106)
4.3.3系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖的繪制(109)
4.3.4傳遞函數(shù)的實(shí)驗(yàn)確定法(112)
4.4系統(tǒng)穩(wěn)定性的頻域分析(116)
4.4.1奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)(116)
4.4.2伯德穩(wěn)定性判據(jù)(122)
4.4.3控制系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性(124)
4.5系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的頻域指標(biāo)(126)
4.5.1閉環(huán)系統(tǒng)的頻率特性(126)
4.5.2閉環(huán)頻域性能指標(biāo)(128)
4.5.3開(kāi)環(huán)系統(tǒng)頻域性能指標(biāo)(130)
4.5.4用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)頻率特性分析閉環(huán)系統(tǒng)性能(131)
本章小結(jié)(132)
習(xí)題(133)
第5章控制系統(tǒng)的綜合與校正(138)
5.1校正的基本概念(138)
5.1.1控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)(138)
5.1.2控制系統(tǒng)的校正概念(139)
5.1.3系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)(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(diǎn)(149)
5.5復(fù)合校正(149)
5.5.1順饋補(bǔ)償(150)
5.5.2前饋補(bǔ)償(151)
本章小結(jié)(151)
習(xí)題(152)
第6章控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(154)
6.1概述(154)
6.2硬盤(pán)控制分析與建模(155)
6.2.1硬盤(pán)工作原理(155)
6.2.2硬盤(pán)控制建模(158)
6.3MATLAB簡(jiǎn)介(159)
6.3.1MATLAB簡(jiǎn)介(159)
6.3.2MATLAB Simulink(161)
6.4硬盤(pán)控制系統(tǒng)校正(162)
6.4.1硬盤(pán)控制系統(tǒng)性能分析(162)
6.4.2硬盤(pán)控制系統(tǒng)時(shí)域校正(164)
6.4.3硬盤(pán)控制系統(tǒng)頻域校正(169)
6.5磁懸浮小球系統(tǒng)校正(171)
本章小結(jié)(175)
習(xí)題(175)
參考文獻(xiàn)(177)