机械控制工程基础

第1章绪论

1.1自动控制系统的基本原理

1.1.1控制系统举例

1.1.2反馈控制系统的构成

1.2自动控制系统的分类

1.2.1按控制系统有无反馈来分

1.2.2按控制作用的特点来分

1.3控制理论发展简史

1.4本课程的教学方法

习题

第2章控制系统的数学模型

2.1控制系统的微分方程

2.1.1线性系统与非线性系统

2.1.2线性系统微分方程的列写

2.1.3系统非线性微分方程的线性化

2.2传递函数

2.2.1传递函数的定义

2.2.2传递函数的主要特点

2.3系统的方框图及其联接

2.3.1控制系统的基本联接方式

2.3.2扰动作用下的闭环控制系统

2.3.3方框图的绘制

2.3.4方框图的变换

2.3.5方框图的简化

2.4典型环节的传递函数

本章小结

习题

第3章时间响应分析

3.1时间响应的基本概念

3.1.1概念

3.1.2时间响应的组成

3.1.3典型输入信号

3.2一阶系统的时间响应

3.2.1一阶系统的单位阶跃响应

3.2.2一阶系统的单位脉冲响应

3.2.3一阶系统的单位斜坡响应

3.2.4线性定常系统时间响应的性质

3.3二阶系统的时间响应

3.3.1二阶系统的单位阶跃响应

3.3.2阶系统的单位脉冲响应

3.4瞬态响应的性能指标

3.5误差分析与计算

3.5.1基本概念

3.5.2稳态误差的计算

3.5.3输入信号作用下的稳态误差与系统的关系

3.5.4干扰引起的稳态误差和系统的总误差

本章小结

习题

第4章频率特性分析

4.1频率特性的基本概念

4.1.1频率响应和频率特性

4.1.2频率特性的求取方法

4.2频率特性的图示法

4.2.1频率特性的极坐标图

4.2.2频率特性的对数坐标图

4.3典型环节的频率特性

4.3.1比例环节

4.3.2惯性环节

4.3.3积分环节

4.3.4微分环节

4.3.5振荡环节

4.3.6延迟环节

4.3.7一阶超前环节

4.3.8二阶微分环节

4.4系统的频率特性

4.4.1系统的开环Bode图的绘制

4.4.2系统开环Nyquist图的绘制

4.5最小相位系统

4.5.1最小相位系统的定义

4.5.2最小相位系统的特点

4.6频域性能指标

4.6.1闭环频率特性

4.6.2频率特性的特征量

4.6.3二阶系统的频域性能指标

4.7频率实验法估计系统的数学模型

4.7.1频率实验法一般步骤

4.7.2举例

本章小结

习题

第5章系统的稳定性

5.1系统稳定的条件

5.1.1稳定性的概念

5.1.2系统稳定的充要条件

5.2RouthHurwitz稳定判据

5.2.1Hurwitz稳定判据

5.2.2Routh稳定判据

5.2.3特殊情况

5.3奈奎斯特稳定判据

5.3.1理论基础

5.3.2Nyquist稳定判据

5.3.3应用举例

5.4稳定性裕量

5.4.1相位裕量

5.4.2幅值裕量

5.4.3几点说明

本章小结

习题

第6章系统的综合与校正

6.1概述

6.1.1控制系统的性能指标

6.1.2控制系统的校正

6.1.3设计准则

6.2串联校正

6.2.1相位超前校正

6.2.2相位滞后校正

6.2.3相位滞后一超前校正

6.3PID控制器

6.3.1PD控制器

6.3.2PI控制器

6.3.3PID控制器

6.4反馈和顺馈校正

6.4.1利用反馈校正改变局部结构、参数

6.4.2利用反馈校正取代局部结构

6.4.3顺馈校正

本章小结

习题

第7章采样控制系统

7.1概述

7.2采样过程及采样定理

7.2.1采样过程

7.2.2采样定理

7.3保持器

7.3.1信号的恢复

7.3.2零阶保持器

7.3.3一阶保持器

7.4采样系统的数学模型

7.4.1差分方程

7.4.2脉冲传递函数

7.5采样系统的稳定性分析

7.5.1采样系统稳定的条件

7.5.2代数判据

7.5.3采样系统的稳态误差

7.5.4采样系统的动态性能分析

7.5.5采样系统的校正

本章小结

习题

第8章控制系统的MATLAB分析与设计

8.1MATLAB简介

8.1.1引言

8.1.2表达式及变量

8.1.3矩阵

8.1.4绘图

8.2SISO系统的数学描述

8.2.1传递函数

8.2.2控制系统的零极点模型

8.2.3传递函数的特征根及零极点图

8.2.4控制系统的方框图模型

8.3SISO系统的MATLAB分析

8.3.1控制系统的时域响应

8.3.2控制系统的频域响应

8.3.3控制系统的稳定性

8.4SISO系统的MATLAB设计

8.4.1相位超前校正

8.4.2相位滞后校正

8.4.3相位滞后一超前校正

8.4.4PID校正

8.5采样控制系统设计

本章小结

习题

附录A拉普拉斯变换

A.1拉普拉斯变换

A.1.1拉普拉斯变换的定义

A.1.2典型时间函数的拉氏变换

A.2拉普拉斯变换定理

A.2.1线性定理

A.2.2平移定理

A.2.3微分定理

A.2.4积分定理

A.2.5终值定理

A.2.6初值定理

A.2.7卷积定理

A.3拉普拉斯反变换

A.3.1拉普拉斯反变换

A.3.2部分分式展开法

附录Bz变换

B.1z变换的定义

B.2z变换法

B.2.1级数求和法

B.2.2部分分式法

B.3z变换的基本定理

B.3.1线性定理

B.3.2实数位移定理

B.3.3复数位移定理

B.3.4初值定理

B.3.5终值定理

B3.6卷积定理

B.4z反变换

B.4.1部分分式法

B.4.2幂级数法

B.4.3留数法

参考文献

　　本书主要适用于机制设计、制造及其自动化专业大学本科生使用。本书由8章和附录组成，全书内容概括如下：第1章主要介绍反馈控制的基本概念；第2章介绍控制系统的数学模型，重点是传递函数的概念和推导方法；第3章介绍控制系统时间响应及稳态误差分析；第4章介绍控制系统的频率特性分析，讨论了控制系统的Nyquist，图和Bode图；第5章讨论了控制系统的稳定性，主要包括Bode判据、Nyquist判据及相对稳定性问题；第6章介绍了系统的综合与校正，重点讨论了PID控制器的原理和设计方法；第7章对采样控制系统做了简单介绍，鉴于计算机控制技术已在机械工程中得到广泛应用，与现有的同类教材相比，本书对采样控制系统的内容介绍有所增加；第8章讨论了控制系统的MATLAB分析与设计。时至今日，MATLAB已经发展成为优秀的适合多学科的功能强大的科技应用软件之一，更是控制理论教学和控制系统开发的基本工具和首选平台。因此，本书用了较大的篇幅讨论了如何用MATLAB分析和设计控制系统。　　本书共分8章，主要内容包括：反馈控制的基本概念、控制系统的数学模型、控制系统时间响应及稳态误差分析、控制系统的频率特性分析、控制系统的稳定性、系统的综合与校正、采样控制系统、控制系统的MATLAB分析与设计。在简要阐明经典控制理论基本内容的基础上，对广泛应用的PID调节器、采样控制系统及基于MATLAB的控制系统分析与设计等内容适当增加了篇幅。　　本书主要适用于机械设计、制造及自动化专业大学本科生使用，也可供相关专业的工程技术人员参考。