控制工程基础(第3版)(机电控制工程系列教材) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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侠名 著

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• 数学模型
• 传递函数
• 稳定性
• 控制系统设计
• 经典控制

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出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302199816

商品编码：29729761876

包装：平装

出版时间：2009-06-01

基本信息

书名：控制工程基础(第3版)(机电控制工程系列教材)

定价：39.00元

作者：侠名

出版社：清华大学出版社

出版日期：2009-06-01

ISBN：9787302199816

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.581kg

编辑推荐

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内容提要

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本教材是在董景新、赵长德等编著的《控制工程基础（第2版）》的基础上，引入近年来相关内容的发展重新编写的，主要面向机械类、仪器类及其他非控制专业本科生，被列入普通高等教育“十一五”*规划教材。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、控制系统的非线性问题、计算机控制系统。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作了介绍；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, 并简化或略去了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和习题,便于自学。本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，为了配合本教材的使用，还制作了《控制工程基础实验指导》、教师用《控制工程基础习题解》和多媒体课件，以供选用。

目录

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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
　1.3 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 基本环节数学模型
　2.2 数学模型的线性化
　2.3 拉氏变换及反变换
　2.4 传递函数以及典型环节的传递函数
　2.5 系统函数方块图及其简化
　2.6 系统信号流图及梅逊公式
　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
　2.10 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
　3.2 一阶系统的瞬态响应
　3.3 二阶系统的瞬态响应
　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
　3.7 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
　4.2 极坐标图
　4.3 对数坐标图
　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 对数幅相特性图
　4.7 控制系统的闭环频响
　4.8 机械系统动刚度的概念
　4.9 借助MATLAB进行控制系统的频域响应分析
　4.10 小结
　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
　5.4 乃奎斯特稳定性判据
　5.5 应用乃奎斯特稳定性判据分析延时系统的稳定性
　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
　5.8 借助MATLAB分析系统稳定性
　5.9 李雅普诺夫稳定性方法
　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
　6.3 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
8 根轨迹法
9 控制系统的非线性问题
10 计算机控制系统
附录A 拉普拉斯变换表
附录B 高阶优模型佳频比的证明
习题参考答案
参考文献

作者介绍

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文摘

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序言

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《自动控制原理：系统分析与设计》 内容简介 本书系统地阐述了自动控制的基本理论、分析方法和设计技术，是理解和掌握现代控制工程精髓的必读之作。全书共分为十四章，逻辑清晰，结构严谨，内容全面，由浅入深，循序渐进，力求使读者在掌握扎实的理论基础的同时，培养出解决实际工程问题的能力。 第一部分：系统建模与时域分析 本书伊始，我们将带领读者走进自动控制的世界，从系统建模入手，这是理解和分析任何控制系统的基础。 第一章 绪论 本章将首先介绍自动控制的概念、发展历程及其在各个领域的广泛应用，帮助读者建立对自动控制的宏观认识。接着，我们将探讨自动控制系统的基本组成，如控制器、被控对象、传感器、执行器等，并初步了解反馈控制和开环控制的区别与联系。最后，将引入系统建模的重要性，以及建立数学模型的几种常用方法，为后续章节的学习奠定基础。 第二章 线性系统与数学模型 本章将聚焦于线性定常（LTI）系统的数学描述。我们将详细讲解如何将物理系统（如机电系统、热力系统、流体系统等）转化为代数方程、微分方程或传递函数。重点在于微分方程的时域表示、传递函数的定义及其性质，包括系统阶数、增益、时间常数等参数的物理意义。此外，还将介绍系统的输入-输出关系，以及如何通过拉普拉斯变换将时域的微分方程转化为复频域的代数方程，为后续的系统分析奠定基础。 第三章 动态响应分析 理解系统的动态响应是评价控制系统性能的关键。本章将深入分析系统在经典输入信号（如单位阶跃、单位斜坡、单位冲激等）作用下的时域响应。我们将详细推导和分析一阶和二阶系统的时域响应曲线，讲解自然振荡频率、阻尼比、峰值时间、超调量、调节时间等重要性能指标的含义及其与系统参数的关系。通过对这些指标的理解，读者将能够初步判断系统的稳定性、快速性和准确性。 第四章 稳定性分析 稳定性是自动控制系统最基本的要求。本章将详细介绍系统的稳定性概念，并重点讲解几种判别系统稳定性的方法。我们将首先介绍代数稳定判据，如劳斯-赫尔维茨判据，它允许我们在不求解特征方程的情况下，判断系统的特征根是否都在复平面的左半平面。随后，我们将引入李雅普诺夫稳定性理论，这是一种更为普适的稳定性分析方法，适用于线性和非线性系统，并介绍其基本思想和应用。 第二部分：频率响应分析与系统校正 在掌握了时域分析的基础上，本部分将引入频率响应的概念，并在此基础上探讨系统的性能分析和校正方法。 第五章 频率响应分析 本章将从时域分析过渡到频域分析，介绍系统的频率响应特性。我们将讲解如何通过输入正弦信号，分析系统的输出信号幅值和相位的变化，从而得到系统的幅频特性和相频特性。本书将详细介绍奈奎斯特图、伯德图等频率响应图的绘制方法及其在系统分析中的作用。通过分析这些图，可以直观地了解系统的增益裕度和相裕度，从而评估系统的稳定性。 第六章 根轨迹法 根轨迹法是一种非常直观的分析和设计方法，它能够直观地展示系统闭环极点随开环增益变化而变化的轨迹。本章将详细讲解绘制根轨迹的法则，包括渐近线、起终点、转折点、虚轴穿越等。通过根轨迹图，我们可以方便地调整系统参数以获得期望的闭环性能，并分析系统的稳定性边界。 第七章 闭环系统校正 实际控制系统往往无法直接满足性能要求，需要通过引入校正装置来改善其性能。本章将重点介绍如何利用串联校正、并联校正和反馈校正等方法来改善系统的动态性能和稳态性能。我们将详细讲解比例（P）控制器、比例-积分（PI）控制器、比例-微分（PD）控制器和比例-积分-微分（PID）控制器的原理、作用以及如何根据系统特性选择和整定控制器参数，使其达到最优性能。 第三部分：状态空间分析与现代控制理论 本部分将引入更为先进的状态空间方法，这是现代控制理论的核心，能够处理更复杂的系统。 第八章 状态空间方法 本章将介绍自动控制系统另一种重要的数学模型——状态空间模型。我们将讲解状态向量、状态方程和输出方程的定义，以及如何从传递函数模型转换为状态空间模型，反之亦然。状态空间方法能够更全面地描述系统的内部动态，并且非常适合计算机处理。我们将介绍系统的可控性和可观测性概念，这两个是设计状态反馈控制器和状态观测器的前提。 第九章 状态反馈与状态观测器 基于状态空间模型，本章将深入探讨状态反馈控制和状态观测器的设计。我们将讲解状态反馈的原理，以及如何通过极点配置来设计状态反馈增益矩阵，从而使闭环系统达到期望的性能。当系统的状态向量无法直接测量时，需要设计状态观测器来估计系统的状态。本章将介绍状态观测器的基本原理，以及如何设计观测器增益，使估计误差收敛。 第十章 PID 控制器设计 PID控制器是工业中最常用、最经典的控制器。本章将对PID控制器的设计进行更深入的探讨。我们将回顾PID控制器的基本结构和原理，并重点介绍多种PID参数整定方法，包括试凑法、Ziegler-Nichols方法、内模控制（IMC）方法等。同时，还将讨论PID控制器在实际应用中的各种改进和优化，如抗积分饱和、抗微分先行等，以提高其鲁棒性和性能。 第四部分：非线性系统与数字控制 本部分将拓展自动控制的范畴，介绍非线性系统的分析方法以及日益重要的数字控制技术。 第十一章 非线性系统的分析 本章将介绍非线性系统的基本概念和特点。我们将探讨非线性系统可能出现的特殊现象，如饱和、死区、滞环等，以及它们对系统性能的影响。我们将引入几种分析非线性系统的方法，包括相平面法、李雅普诺夫第二方法等，帮助读者理解非线性系统的行为。 第十二章 离散时间系统 随着计算机技术的发展，数字控制系统得到了广泛应用。本章将介绍离散时间系统的基本理论。我们将讲解离散时间系统的采样过程，以及如何利用Z变换将连续时间系统转化为离散时间系统。我们将分析离散时间系统的动态响应和稳定性，并介绍离散时间系统的传递函数和状态空间模型。 第十三章 数字控制器设计 本章将重点介绍数字控制器的设计方法。我们将探讨如何将连续时间控制器（如PID控制器）转化为数字控制器，并介绍几种直接在离散域进行控制器设计的方法，如脉冲响应不变法、阶跃响应不变法等。本章还将触及数字控制系统中的一些实际问题，如采样周期选择、量化误差等。 第十四章 系统辨识与鲁棒控制 本章将对自动控制领域的一些高级课题进行介绍。首先，系统辨识是当被控对象模型未知时，从实验数据中建立模型的重要技术。我们将介绍几种常用的系统辨识方法。其次，鲁棒控制旨在设计控制器，使其在系统模型不确定或存在扰动时仍能保持良好的性能。本章将简要介绍鲁棒控制的基本思想和一些常用方法。 本书特色 理论与实践相结合： 本书在讲解理论知识的同时，注重与实际工程应用的结合，通过丰富的实例和习题，帮助读者将所学知识转化为解决实际问题的能力。 内容全面而深入： 涵盖了自动控制领域的基础理论和主要分析设计方法，同时触及了现代控制理论和数字控制等前沿领域。 数学推导严谨： 各类分析方法的推导过程清晰明了，逻辑严谨，便于读者理解。 图文并茂： 大量采用图表、曲线等可视化手段，直观地展示系统特性和分析结果，降低了学习难度。 语言通俗易懂： 尽管涉及复杂的数学概念，但本书力求语言通俗易懂，避免使用过于晦涩的专业术语，使不同背景的读者都能有效学习。 目标读者 本书适合于高等院校自动化、电气工程、机械工程、航空航天工程、电子信息工程等相关专业的本科生和研究生，也可作为从事自动控制工程技术人员的参考书。通过对本书的学习，读者将能够构建、分析和设计各类自动控制系统，为进一步深入研究或从事相关工作打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

坦率地说，我对控制系统中的数学严谨性是有一定要求的，毕竟这是一门硬核的工程学科。这本《控制工程基础（第3版）》在保证工程应用直观性的同时，对数学基础的论述也拿捏得相当到位。它并没有为了迎合“快餐式”学习而牺牲掉理论的深度。例如，在讨论系统稳定性时，李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性理论的介绍，虽然篇幅相对精炼，但核心思想和判据的推导过程是完整且严谨的。对于那些希望未来在控制领域深造或者从事高精度算法研究的读者而言，这本书提供了非常坚实的理论基石。我尤其喜欢作者在证明某些定理时，会穿插一些“工程背景注释”，提醒我们这个数学结论在实际应用中意味着什么，比如“这个判据保证了系统在所有可能出现的初始扰动下都不会失稳”。这种理论与实践的无缝对接，使得学习过程充满了意义，让人感觉自己正在掌握的是一套完整的、有生命力的科学工具，而非孤立的公式集。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图文质量，着实让人感到惊喜，这在很多理工科教材中是难得的。翻开这本书，首先映入眼帘的不是密密麻麻的文字，而是清晰、专业且富有逻辑性的图表。那些Bode图、Nyquist图的绘制和解读部分，线条流畅，关键区域的标注极其精准，即便是初次接触频率响应分析的人，也能迅速捕捉到系统的稳定裕度和带宽等关键信息。更值得称赞的是，作者在引入新概念时，总是会先回顾前一个知识点是如何铺垫的，形成一个知识的闭环。例如，在过渡到现代控制时，它没有生硬地抛弃经典控制，而是用“状态变量”这个新视角，重新审视了传递函数和极点零点的关系，这种“温故而知新”的编排方式，极大地减轻了读者的认知负担。我个人的阅读习惯是喜欢在书页边缘做笔记，这本书的纸张质量和留白设计非常友好，让我的学习过程变得更加连贯和愉快，而不是总在与书本的“物理交互”上感到别扭。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书的另一个深刻印象是它对于“不确定性”和“鲁棒性”的探讨，这体现了第三版相对于前几版的进步和与时俱进。在当今的工程实践中，任何系统都不可能是完美的理想模型，环境噪声、元件老化、模型简化都会带来误差。这本书没有回避这些现实问题，而是很早就引入了扰动和不确定性对系统性能的影响分析。例如，在介绍根轨迹法时，作者会引导读者思考，如果系统的增益K有一个小的变化范围，系统的闭环极点会如何漂移，从而评估设计的“容错性”。这种前瞻性的讨论，让我的思维不再局限于“理想情况下的最优设计”，而是开始培养一种“工程上的稳健思维”。这种思维方式是区分理论工作者和优秀工程师的关键点。它教会我，一个好的控制系统设计，不仅要性能好，更重要的是“抗干扰”能力强，这使得这本书的价值超越了一般的入门教材，成为了一本能够培养系统性工程思维的宝典。

评分☆☆☆☆☆

这本《控制工程基础（第3版）》简直是为我们这些初入控制领域的新手量身定做的，我必须说，光是看目录就已经让人感到踏实了不少。这本书的编写风格非常注重基础概念的建立，它没有一开始就抛出那些让人眼花缭乱的复杂数学模型，而是用非常清晰的语言，一步步引导我们理解什么是反馈控制，为什么需要它。我记得第一次接触到传递函数和根轨迹这些概念时，感觉像是在攀登一座陡峭的山峰，但这本书的作者似乎深谙“因材施教”之道，他们通过大量的实例和图示，将抽象的数学工具具象化了。特别是关于系统的时域响应分析那几章，作者不仅解释了超调、调节时间和稳态误差的物理意义，还配有仿真结果的对比图，这对于我这种需要直观感受理论的读者来说，简直是雪中送炭。读完前几章，我对控制系统的“脾气秉性”有了一个大致的了解，不再是那种只知道套公式却不知其所以然的“半吊子”状态。它让我明白，控制工程不仅仅是数学的堆砌，更是一门关于如何让系统稳定、高效运行的艺术。那种由迷茫到豁然开朗的感觉，真是让人欲罢不能。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我对教材的实用性要求一向很高，很多理论书读起来就像在看天书，最终束之高阁。但这本第三版《控制工程基础》在这方面做得尤为出色。它不像某些教材那样，只停留在理论的象牙塔里，而是紧密结合实际工程中的应用场景。比如，在讲到现代控制理论的基础，比如状态空间表示法时，作者没有仅仅停留在矩阵运算上，而是巧妙地将桥梁和机械臂的运动控制作为例子，让我们体会到状态变量是如何描述一个真实物理系统的动态行为的。我特别欣赏它在“控制器设计”这一章的处理方式，PID控制器虽然经典，但如何根据实际系统的特性来整定参数（K_p, K_i, K_d）一直是我的痛点。这本书提供了一种非常系统的、可操作的流程图，从Ziegler-Nichols法到基于性能指标的优化设计，每一步都有清晰的数学推导和工程上的考量。读到后面，我甚至尝试用书中的方法去分析我们实验室里那个小型伺服电机系统，那种将书本知识转化为解决实际问题能力的成就感，是其他任何学习体验都无法比拟的。