机械工程控制基础

本书讲述了经典控制理论的基本原理及其在机械工程领域中的应用。全书共8章，主要介绍了自动控制的基本概念、控制系统在时域和频域中数学模型的建立，分析了单输入单输出线性定常系统的瞬态特性、稳定性和稳态特性，阐述了线性控制系统的时域分析法、频域分析法、根轨迹法及设计校正方法。 本书简化或略去了较深奥的严格数学推导内容，引入了较多的例题，便于教学和自学。 除第1章外，其余各章均介绍了利用MATLAB进行相关分析的示例。 为使读者对经典控制理论的应用有一个完整的了解，本书系统并循序渐进地结合各章内容介绍了机床工作台位置自动控制系统和磁盘驱动器读入系统两个设计示例。 本书可作为普通高等院校机械工程及自动化、机械电子工程、机械设计制造及其自动化等专业的教材，也可供相关工程技术人员参考。

前言 第1章绪论1 11控制理论的发展历史1 12自动控制系统的基本原理3 121自动控制系统的基本概念3 122反馈控制系统的基本组成4 123自动控制系统的基本控制方式5 124自动控制系统的分类6 125自动控制系统的基本要求8 13控制理论在工程中的应用举例8 131瓦特的飞球离心调速系统8 132工作台位置自动控制系统9 133磁盘驱动器读入系统11 134机器人位置与力控制系统12 14自动控制系统的分析与设计工具14 15本课程的特点和学时安排15 习题16 第2章控制系统的动态数学模型18 21数学模型的概念18 22控制系统的微分方程19 221建立控制系统微分方程的基本步骤19 222机械系统的微分方程20 223电路系统的微分方程22 224机电系统的微分方程23 225非线性微分方程的线性化24 23拉普拉斯变换和反变换26 231拉普拉斯变换的定义26 232典型函数的拉普拉斯变换27 233拉普拉斯变换的性质28 234拉普拉斯反变换及其计算方法33 235借助拉普拉斯变换解常系数线性微分方程36 24传递函数和典型环节的传递函数37 241传递函数的概念37 242特征方程、零点和极点38 243传递函数的求法39 244典型环节的传递函数40 25系统框图及其简化45 251系统框图的组成45 252环节连接方式及运算法则46 253系统框图的变化法则与简化47 254利用框图简化求系统传递函数49 255信号流图与梅逊公式52 26控制系统的传递函数55 27控制系统数学模型的MATLAB描述57 271传递函数的MATLAB描述57 272环节连接方式及系统框图简化的MATLAB描述60 28系列工程问题举例63 281工作台位置自动控制系统数学建模63 282磁盘驱动器读入系统数学建模66 习题68 第3章时域瞬态响应分析72 31时域响应及典型输入信号72 32一阶系统的瞬态响应74 321一阶系统的单位阶跃响应74 322一阶系统的单位斜坡响应75 323一阶系统的单位脉冲响应76 324一阶系统的单位加速度响应76 33二阶系统的瞬态响应77 331二阶系统的单位阶跃响应79 332二阶系统的单位脉冲响应81 333二阶系统的单位斜坡响应82 34二阶系统瞬态响应的性能指标84 35高阶系统的瞬态响应89 36MATLAB在时间响应分析中的应用92 361基于MATLAB工具箱的时域分析92 362系统框图输入与仿真工具Simulink94 37系列工程问题举例100 371工作台位置自动控制系统的时域响应分析100 372磁盘驱动器读入系统的时域响应分析101 习题103 第4章控制系统的频率特性分析106 41频率特性106 411频率特性概述106 412频率特性的特点与作用110 413频率特性的求取方法111 42极坐标图113 421极坐标图概述113 422典型环节的极坐标图113 423一般系统极坐标图的作图方法117 424极坐标图的一般形状119 43对数坐标图120 431典型环节频率特性的对数坐标图121 432一般系统对数坐标图的作图方法126 433最小相位系统129 44由频率特性曲线求系统传递函数131 45控制系统的闭环频率性能指标134 451开环频率特性与闭环频率特性的关系134 452闭环频率性能指标135 46利用MATLAB绘制频率特性曲线136 461奈奎斯特曲线的绘制136 462伯德图的绘制138 47系列工程问题举例141 471工作台位置自动控制系统的频域分析141 472磁盘驱动器读入系统的频域分析141 习题145 第5章控制系统的稳定性分析149 51系统稳定性的基本概念及充分必要条件149 511系统稳定性的基本概念149 512系统稳定的充分必要条件150 52代数稳定判据151 521劳斯稳定判据151 522赫尔维茨稳定判据158 53奈奎斯特稳定判据159 531辐角定理160 532辅助函数162 533奈奎斯特稳定判据164 534奈奎斯特稳定判据的应用举例166 54伯德判据169 55控制系统的相对稳定性171 56利用MATLAB分析系统稳定性174 57系列工程问题举例178 571工作台位置自动控制系统稳定性分析178 572磁盘驱动器读入系统稳定性分析179 习题181 第6章控制系统的误差分析185 61稳态误差的基本概念185 62由输入信号引起的稳态误差186 621稳态误差计算186 622静态误差系数188 63干扰引起的稳态误差191 64减小系统误差的途径194 65利用MATLAB计算系统的稳态误差194 66系列工程问题举例195 661工作台位置自动控制系统误差分析195 662磁盘驱动器读入系统误差分析196 习题198 第7章控制系统的综合与校正200 71系统的性能指标200 711时域性能指标200 712频域性能指标200 713开环频率特性的三个频段200 714闭环频域指标与时域指标的关系203 72系统校正概述205 73串联校正207 731相位超前校正207 732相位滞后校正210 733相位滞后超前校正212 74采用对数坐标图进行串联校正网络的设计213 741相位超前校正网络设计213 742相位滞后校正网络设计215 743相位滞后超前校正环节设计217 75并联校正219 751反馈校正219 752前馈校正222 76PID控制222 77利用MATLAB进行系统校正设计225 78系列工程问题举例229 781工作台位置自动控制系统校正设计229 782磁盘驱动器读入系统校正设计233 习题235 第8章根轨迹法237 81根轨迹与系统特性237 82根轨迹的幅值条件和相角条件238 83绘制根轨迹的基本规则239 84应用MATLAB绘制根轨迹245 85系列工程问题举例250 851工作台位置自动控制系统的根轨迹分析250 852磁盘驱动器读入系统的参数根轨迹分析251 习题253 附录拉普拉斯变换表254 参考文献257