Praktische Regelungstechnik. Ein Leitfaden für Einsteiger pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Hüthig Verlag

作者:Dieter Schulz

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1993-12-16

价格:0

装帧:Paperback

isbn号码:9783778521199

丛书系列:

图书标签:

• Regelungstechnik
• Praktische Anwendung
• Einsteiger
• Automatisierungstechnik
• Steuerungstechnik
• Regelung
• Technik
• Leitfaden
• Ingenieurwesen
• Elektrotechnik

《实用控制工程：入门指南》 本书为对控制工程领域感兴趣的初学者量身打造，旨在提供一个清晰、循序渐进的学习路径，帮助读者理解控制系统的基本原理、分析方法和设计技术。本书并非枯燥的理论堆砌，而是通过大量实际案例和清晰的图示，将抽象的概念具象化，让读者能够轻松入门，并逐步建立起扎实的控制工程知识体系。 第一部分：控制工程概览与基础概念 在本书的开篇，我们将为您勾勒出一幅控制工程的全景图。我们将探讨控制工程在现代社会中的广泛应用，从家庭中的恒温器、汽车的巡航控制，到工业生产线上的机器人、航空航天的飞行控制系统，无处不见控制的身影。您将了解到，控制工程的核心目标在于如何使一个系统（例如一个房间的温度、一辆汽车的速度）按照我们期望的方式运行，即使在存在外部干扰的情况下也能保持稳定。 接着，我们将深入介绍一些控制工程的基础概念。您将学习到什么是“系统”——一个由相互关联的部件组成的整体，以及“输入”和“输出”——系统响应外部激励的方式。我们将引入“反馈”这一至关重要的概念，理解它如何允许系统根据其自身的输出信息来调整输入，从而实现精确的控制。通过生活化的例子，例如您在洗澡时不断调节冷热水来获得舒适水温的过程，将帮助您直观地理解负反馈的原理及其在稳定系统中的关键作用。 本书还将详细阐述“稳定性”的概念。一个稳定的控制系统能够在其受到扰动后恢复到平衡状态，而一个不稳定的系统则可能导致系统行为失控。我们将初步介绍判断系统稳定性的基本方法，为后续更深入的分析打下基础。此外，我们还将探讨“性能指标”，例如系统的响应速度、超调量以及稳态误差，这些指标是评价一个控制系统好坏的重要依据。 第二部分：控制系统的建模与表示 要设计和分析一个控制系统，首先需要对其进行准确的建模。本书将引导您了解如何将物理世界的实际系统转化为数学模型。我们将重点介绍两种常用的建模方法： 传递函数 (Transfer Function)：这是一种强大的数学工具，用于描述线性时不变 (LTI) 系统中输入与输出之间的关系。我们将详细讲解如何从物理方程（如牛顿第二定律、电路方程）推导出系统的传递函数，并解释传递函数中极点和零点所代表的物理意义。通过分析传递函数的结构，我们可以初步预测系统的动态行为。 状态空间表示 (State-Space Representation)：作为传递函数的补充，状态空间方法提供了一种更全面的描述方式，尤其适用于多输入多输出 (MIMO) 系统以及非线性系统。我们将介绍状态变量的概念，以及如何构建系统的状态方程和输出方程。状态空间方法能够揭示系统内部的状态信息，为更高级的控制设计提供基础。 为了方便理解和可视化，本书还将介绍多种系统框图的绘制方法。通过系统框图，我们可以清晰地展示各个子系统之间的连接关系以及信号的流向，这对于理解复杂系统的结构和分析其整体行为至关重要。我们将演示如何将传递函数或状态空间模型转化为标准化的框图形式，从而便于后续的分析和设计。 第三部分：线性系统的时域分析 在这一部分，我们将深入探索控制系统在时间和输入变化下的响应行为，即时域分析。我们将引入标准输入信号，如单位阶跃信号 (step input)、单位斜坡信号 (ramp input) 和单位脉冲信号 (impulse input)，并分析系统在这些典型输入下的响应特性。 单位阶跃响应：这是评价系统动态性能最重要的指标之一。我们将详细分析单位阶跃响应的各个关键参数，包括： 上升时间 (Rise Time)：系统输出从某个百分比（通常是10%）上升到另一个百分比（通常是90%）所需的时间，反映了系统的响应速度。 峰值时间 (Peak Time)：系统输出达到第一次峰值所需的时间。 超调量 (Overshoot)：系统输出在达到稳态值之前所超过的幅度，反映了系统的稳定性。 调节时间 (Settling Time)：系统输出在某个允许误差范围内稳定下来所需的时间，也是衡量响应速度的重要指标。 稳态误差 (Steady-State Error)：系统输出在经过足够长时间后与期望值之间的偏差。 我们将通过求解一阶和二阶系统的响应方程，让您亲身感受这些参数是如何由系统本身的特性（如极点位置）决定的。 稳态误差分析：我们将深入研究产生稳态误差的原因，以及如何通过调整控制器参数来减小或消除稳态误差。本书将介绍“位置误差系数”、“速度误差系数”和“加速度误差系数”，并揭示它们与系统型别 (System Type) 之间的关系。理解这些概念，您将能够根据系统的要求来设计控制器，以达到所需的精度。 第四部分：线性系统的频域分析 时域分析可以帮助我们了解系统对特定输入信号的响应，而频域分析则侧重于系统对不同频率输入信号的反应。这种方法对于理解系统的带宽、滤波特性以及噪声抑制能力至关重要。 频率响应：我们将介绍频率响应的概念，以及如何通过将系统传递函数中的 s 替换为 jω (其中 j 是虚数单位，ω 是角频率) 来获得系统的频率响应。 伯德图 (Bode Plot)：这是控制工程中最常用的频率响应图形表示方法。本书将详细讲解如何绘制伯德幅值图和伯德相角图。您将学习到如何从传递函数快速构建伯德图，以及如何通过伯德图来估计系统的带宽、稳定性裕度（增益裕度和相位裕度）以及预测系统的响应特性。伯德图是理解和设计控制器不可或缺的工具。 奈奎斯特图 (Nyquist Plot)：奈奎斯特稳定性判据是另一种强大的频率域稳定性分析工具。我们将介绍奈奎斯特图的绘制方法，并详细阐述如何利用奈奎斯特判据来判断系统的稳定性，即使在存在增益和相移延迟的情况下也能准确评估。 根轨迹法 (Root Locus Method)：根轨迹法是一种用于分析闭环系统极点随控制器增益变化的图形化方法。通过绘制根轨迹，我们可以直观地观察系统极点的移动路径，并据此选择合适的控制器增益以优化系统的性能和稳定性。本书将详细介绍根轨迹的绘制规则和其在系统分析与设计中的应用。 第五部分：PID 控制器设计 比例-积分-微分 (PID) 控制器是工业界应用最广泛、最经典的控制器类型。几乎所有需要精确控制的场合都能看到 PID 控制器的身影。本书将投入大量篇幅来详细讲解 PID 控制器的原理、设计与整定。 比例 (P) 控制：分析纯比例控制器如何影响系统的响应，包括其对响应速度和稳态误差的影响，以及可能带来的不足（如稳态误差无法消除）。 积分 (I) 控制：讲解积分控制的作用，如何消除稳态误差，以及可能引入的系统超调和稳定性问题。 微分 (D) 控制：介绍微分控制的预测作用，如何减小超调、提高系统响应速度，以及其对噪声的敏感性。 PID 控制器组合：我们将详细讲解 P、I、D 三种控制作用的组合如何相互作用，以及如何通过调整 P、I、D 三个参数来获得理想的系统性能。 PID 参数整定方法：本书将介绍几种常用的 PID 参数整定方法，包括： 试凑法 (Trial and Error)：一种直观但效率较低的方法，通过反复试验来找到合适的参数。 临界比例法 (Ultimate Sensitivity Method)：基于临界增益和临界周期来确定参数。 西格勒-尼克斯方法 (Ziegler-Nichols Method)：一种系统性的整定方法，有经验公式可循。 性能指标优化法：通过数值优化方法，直接根据预设的性能指标来调整参数。 您将学习到每种方法的原理、操作步骤以及适用范围，并结合实例进行演示。 第六部分：进阶控制理论初步 在掌握了 PID 控制器等基本控制方法后，本书将为您打开通往更广阔控制理论世界的大门，为您打下进一步学习的基础。 线性二次调节器 (LQR)：介绍 LQR 作为一种最优控制方法，如何通过最小化一个二次型性能指标来设计控制器，尤其适用于状态空间模型。 观测器设计：在某些情况下，系统的所有状态变量可能无法直接测量。我们将介绍观测器的概念，例如卡尔曼滤波器 (Kalman Filter) 的基本原理，如何利用系统的输入输出信息来估计其内部状态，从而实现对不可测量状态的反馈控制。 数字控制系统初步：随着计算机技术的飞速发展，数字控制系统已经成为现代控制的主流。我们将初步介绍数字控制系统的基本概念，包括采样、量化、数字控制器以及数字控制器与连续时间系统的关系。 附录与参考 本书的附录将提供常用的数学工具回顾，例如拉普拉斯变换和复频率的概念，以及一些常用的控制系统分析和设计软件的简介。此外，我们还将提供一份精心挑选的参考书目，供读者在阅读本书后进行更深入的学习和研究。 结语 《实用控制工程：入门指南》力求以最清晰、最易懂的方式，帮助初学者建立对控制工程的全面认识。本书强调理论与实践相结合，通过大量的实例演示，让读者在学习过程中能够感受到控制工程的魅力与力量。无论您是工科学生、在职工程师，还是对智能系统充满好奇的爱好者，本书都将是您探索控制工程世界的理想起点。掌握本书所学内容，您将能够初步分析和设计简单的控制系统，为解决实际工程问题打下坚实的基础。

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