機械控制工程基礎

本書以經典控制理論為基本內容介紹了控制系統的基本原理、分析方法、設計校正及應用實例等 。

全書共分9 章主要內容包括反饋控制系統的基本概念、控制系統的數學模型、控制系統時間響應及穩態誤差分析、控制系統的頻率特性分析、控制系統的穩定性、系統的綜合與校正、根軌跡法、非線性系統和採樣控制系統。附錄部分包括拉普拉斯變換、z 變換和根據教學需要開發的“機械控制工程虛擬實驗系統” 此外每章都含有MATLAB/ Simulimk 在控制系統分析和設計中的應用本書主要適用於機械設計製造及其自動化專業本科生使用也可供相關專業的工程技術人員參考。 ^[1] 

第1章緒論1

1.1自動控制系統的基本原理1

1.1.1控制系統舉例1

1.1.2反饋控制系統的構成4

1.2自動控制系統的分類5

1.2.1按控制系統有無反饋分類5

1.2.2按控制作用的特點分類6

1.3控制理論發展簡史6

1.4本課程的教學方法7

習題8

第2章控制系統的數學模型10

2.1控制系統的微分方程10

2.1.1線性系統與非線性系統10

2.1.2線性系統微分方程的列寫11

2.1.3系統非線性微分方程的線性化12

2.2傳遞函數15

2.2.1傳遞函數的定義15

2.2.2傳遞函數的主要特點15

2.3系統的方框圖及其簡化16

2.3.1控制系統的基本連接方式16

2.3.2擾動作用下的閉環控制系統18

2.3.3方框圖的繪製19

2.3.4方框圖的變換19

2.3.5方框圖的簡化20

2.4典型環節的傳遞函數21

2.5利用MATLAB建立控制系統數學模型31

2.5.1傳遞函數31

2.5.2控制系統的零極點模型32

2.5.3傳遞函數的特徵根及零極點圖34

2.5.4控制系統的方框圖模型34

本章小結37

習題38

第3章時間響應分析40

3.1時間響應的基本概念40

3.1.1概念40

3.1.2時間響應的組成41

3.1.3典型輸入信號41

3.2一階系統的時間響應44

3.2.1一階系統的單位階躍響應44

3.2.2一階系統的單位脈衝響應46

3.2.3一階系統的單位斜坡響應46

3.2.4線性定常系統時間響應的性質47

3.3二階系統的時間響應48

3.3.1二階系統的單位階躍響應49

3.3.2二階系統的單位脈衝響應53

3.4瞬態響應的性能指標54

3.5誤差分析與計算60

3.5.1基本概念60

3.5.2穩態誤差的計算62

3.5.3輸入信號作用下的穩態誤差與系統的關係63

3.5.4干擾引起的穩態誤差和系統的總誤差65

3.6基於MATLAB的控制系統時域分析66

本章小結71

習題72

第4章頻率特性分析75

4.1頻率特性的基本概念75

4.1.1頻率響應和頻率特性75

4.1.2頻率特性的求取方法76

4.2頻率特性的圖示法76

4.2.1頻率特性的極座標圖76

4.2.2頻率特性的對數座標圖77

4.3典型環節的頻率特性77

4.3.1比例環節78

4.3.2慣性環節78

4.3.3積分環節80

4.3.4微分環節81

4.3.5振盪環節82

4.3.6延遲環節84

4.3.7一階微分環節85

4.3.8二階微分環節86

4.4系統開環頻率特性86

4.4.1系統的開環Bode圖的繪製86

4.4.2系統開環Nyquist圖的繪製88

4.4.3開環頻率特性與閉環系統性能的關係89

4.5最小相位系統92

4.5.1最小相位系統的定義92

4.5.2最小相位系統的特點92

4.6系統閉環頻率特性93

4.6.1閉環頻率特性93

4.6.2頻率特性的特徵量97

4.6.3二階系統的頻域性能指標98

4.7頻率實驗法估計系統的數學模型98

4.7.1頻率實驗法一般步驟98

4.7.2舉例99

4.8利用MATLAB進行控制系統的頻率分析100

本章小結103

習題104

第5章控制系統的穩定性106

5.1系統穩定的條件106

5.1.1穩定性的概念106

5.1.2系統穩定的充要條件107

5.2Routh穩定判據108

5.2.1Routh表108

5.2.2Routh穩定判據109

5.2.3Routh表首列構成的四種情形110

5.3Nyquist穩定判據113

5.3.1理論基礎114

5.3.2Nyquist軌跡及其映射117

5.3.3Nyquist穩定判據118

5.3.4應用舉例119

5.4穩定性裕量128

5.4.1相位裕量128

5.4.2幅值裕量128

5.4.3幾點説明130

5.5利用MATLAB進行控制系統的穩定性分析131

本章小結134

習題135

第6章系統的綜合與校正139

6.1概述139

6.1.1控制系統的性能指標139

6.1.2控制系統的校正141

6.2串聯校正142

6.2.1相位超前校正143

6.2.2相位滯後校正145

6.2.3相位滯後－超前校正147

6.3反饋和順饋校正148

6.3.1反饋校正148

6.3.2順饋校正150

6.4PID控制器150

6.4.1PD控制器150

6.4.2PID控制器設計155

6.4.3PID控制器161

6.5利用MATLAB進行控制系統的校正164

6.5.1相位超前校正165

6.5.2相位滯後校正168

6.5.3相位滯後－超前校正171

6.5.4PID校正172

本章小結175

習題176

第7章根軌跡法180

7.1根軌跡的基本概念180

7.1.1根軌跡的定義180

7.1.2閉環零、極點與開環零、極點的關係182

7.1.3根軌跡方程183

7.2根軌跡的繪製183

7.2.1繪製根軌跡的基本條件183

7.2.2繪製規則185

7.2.3繪製舉例191

7.3參數根軌跡195

7.4多回路根軌跡197

7.5零度根軌跡199

7.5.1局部正反饋迴路的根軌跡199

7.5.2非最小相位系統零度根軌跡202

7.6延遲系統根軌跡203

7.6.1繪製延遲系統根軌跡的條件203

7.6.2繪製延遲系統根軌跡的基本規則204

7.7控制系統根軌跡分析方法207

7.7.1利用根軌跡確定系統參數207

7.7.2利用閉環主導極點估算系統的性能指標210

7.7.3用根軌跡分析系統的動態性能212

7.7.4用根軌跡分析系統的穩態性能214

7.7.5開環零點、極點分佈對系統性能的影響215

7.8利用MATLAB進行控制系統根軌跡分析217

7.8.1繪製根軌跡的MATLAB函數217

7.8.2用MATLAB繪製多回路根軌跡和求高階代數方程的根219

本章小結220

習題221

第8章非線性系統223

8.1非線性系統的基本概念223

8.1.1典型的非線性特性223

8.1.2非線性系統的特殊性225

8.1.3非線性控制系統的分析研究方法227

8.2描述函數法228

8.2.1描述函數法的基本概念228

8.2.2典型非線性特性的描述函數229

8.2.3用描述函數法分析系統的穩定性237

8.3相平面法244

8.3.1相平面的基本概念244

8.3.2相軌跡的繪製方法245

8.3.3由相軌跡求時間信息247

8.4相平面分析249

8.4.1線性系統的相平面分析249

8.4.2非線性系統的相平面分析252

8.5非線性系統的仿真分析258

8.6利用Simulink進行非線性系統的分析設計261

本章小結264

習題264

第9章採樣控制系統267

9.1概述267

9.2採樣過程及採樣定理268

9.2.1採樣過程268

9.2.2採樣定理270

9.3保持器272

9.3.1信號的恢復272

9.3.2零階保持器272

9.3.3一階保持器274

9.4採樣系統的數學模型275

9.4.1差分方程275

9.4.2脈衝傳遞函數277

9.5採樣系統的穩定性分析285

9.5.1採樣系統穩定的條件285

9.5.2代數判據286

9.5.3採樣系統的穩態誤差288

9.5.4採樣系統的動態性能分析291

9.5.5採樣系統的校正296

9.6利用MATLAB進行採樣控制系統分析301

9.6.1z變換與z反變換301

9.6.2採樣控制系統設計302

本章小結304

習題305

附錄309

附錄A拉普拉斯變換309

附錄Bz變換321

附錄C機械控制工程虛擬實驗系統331

參考文獻337

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