機械控制工程基礎

本書主要講述機械工程控制的基本原理和基本知識，內容包括：控制工程的發展史、控制工程的研究對象和任務、控制系統的組成和實例；拉普拉斯變換；系統數學模型的建立；系統的時域和頻域分析；根軌跡；系統穩定性分析；系統校正；線性離散系統以及MATLAB在控制工程中的應用。

第1章 緒論 （1）

1.1 引言 （1）

1.1.1 控制工程發展史 （1）

1.1.2 機械控制工程的研究對象與任務 （2）

1.2 控制系統簡介 （3）

1.2.1 控制系統的分類 （3）

1.2.2 閉環控制系統的組成 （6）

1.2.3 對控制系統的基本要求 （7）

本章小結 （7）

習題1 （8）

第2章 拉普拉斯變換 （9）

2.1 復變量與複變函數 （10）

2.1.1 復變量 （10）

2.1.2 複變函數 （10）

2.1.3 歐拉公式 （10）

2.2 拉氏變換的概念 （11）

2.2.1 問題的提出 （11）

2.2.2 拉氏變換的存在定理 （12）

2.3 拉氏變換的性質 （18）

2.3.1 線性性質 （18）

2.3.2 微分性質 （19）

2.3.3 積分性質 （21）

2.3.4 位移性質 （22）

2.3.5 延遲性質 （22）

2.3.6 尺度變換 （23）

2.3.7 初值定理、終值定理 （24）

2.4 拉氏逆變換 （26）

2.5 卷積 （31）

2.5.1 卷積的概念 （31）

2.5.2 卷積定理 （32）

本章小結 （36）

習題2 （36）

第3章 系統的數學模型 （39）

3.1 系統的微分方程 （40）

3.1.1 建立微分方程的基本步驟 （40）

3.1.2 機械系統的微分方程 （41）

3.1.3 電氣系統的微分方程 （44）

3.1.4 機電系統的微分方程 （46）

3.1.5 系統的相似性 （49）

3.2 系統的傳遞函數 （50）

3.2.1 傳遞函數的基本概念 （50）

3.2.2 傳遞函數的零點、極點和放大係數 （51）

3.2.3 典型環節的傳遞函數 （52）

3.3 系統方框圖及其簡化 （64）

3.3.1 系統傳遞函數的方框圖表示 （65）

3.3.2 傳遞函數方框圖的簡化 （70）

3.3.3 公式法化簡系統方框圖 （75）

3.4 信號流圖與梅森增益公式 （76）

3.4.1 信號流圖 （76）

3.4.2 梅森增益公式 （78）

3.5 輸入和干擾同時作用下的系統傳遞函數 （80）

本章小結 （83）

習題3 （84）

第4章 時間響應分析 （89）

4.1 概述 （89）

4.1.1 時間響應及其組成 （90）

4.1.2 典型試驗信號 （90）

4.2 一階系統的時間響應 （92）

4.2.1 一階系統的單位脈衝響應 （92）

4.2.2 一階系統的單位階躍響應 （93）

4.2.3 單位脈衝響應和單位階躍響應的關係 （94）

4.3 二階系統的時間響應 （94）

4.3.1 二階系統標準形式 （94）

4.3.2 二階系統特徵方程的根與阻尼比的關係 （95）

4.3.3 二階系統的單位脈衝響應 （96）

4.3.4 二階系統的單位階躍響應 （98）

4.3.5 二階系統響應的性能指標 （101）

4.4 系統穩態誤差分析 （106）

4.4.1 系統誤差與偏差的關係 （106）

4.4.2 系統的穩態誤差 （107）

4.4.3 靜態誤差係數 （110）

本章小結 （112）

習題4 （113）

第5章 系統頻率響應分析 （115）

5.1 頻率特性概述 （115）

5.1.1 頻率特性的概念 （115）

5.1.2 頻率特性的特點和作用 （118）

5.2 頻率特性的極座標圖（Nyquist圖） （120）

5.2.1 典型環節的Nyquist圖 （120）

5.2.2 Nyquist圖的一般繪製方法 （124）

5.3 頻率特性的對數座標圖（Bode圖） （128）

5.3.1 概述 （128）

5.3.2 典型環節的Bode圖 （129）

5.3.3 Bode圖的一般繪製方法 （134）

5.4 閉環頻率特性 （140）

5.5 小相位系統與非小相位系統 （141）

5.6 根據頻率特性曲線估計系統傳遞函數 （142）

5.6.1 確定放大倍數K （142）

5.6.2 各環節傳遞函數確定 （143）

本章小結 （145）

習題5 （145）

第6章 系統穩定性分析 （147）

6.1 系統穩定的概念和條件 （147）

6.1.1 系統穩定的基本概念 （147）

6.1.2 系統穩定性與特徵根的關係 （148）

6.1.3 系統穩定的充分必要條件 （149）

6.2 勞斯（Routh）穩定判據 （150）

6.2.1 系統穩定的必要條件 （150）

6.2.2 系統穩定的充要條件 （151）

6.2.3 勞斯判據的特殊情況 （153）

6.3 Nyquist穩定判據 （154）

6.3.1 米哈伊洛夫定理 （154）

6.3.2 Nyquist穩定判據的證明 （156）

6.3.3 開環含有積分環節的Nyquist圖 （158）

6.3.4 具有延時環節的系統穩定性分析 （160）

6.3.5 Nyquist穩定判據應用舉例 （161）

6.4 Bode穩定判據 （163）

6.5 系統的相對穩定性 （166）

6.5.1 相位裕度? （166）

6.5.2 幅值裕度Kg （167）

本章小結 （170）

習題6 （170）

第7章 系統校正 （172）

7.1 系統的性能指標 （173）

7.1.1 時域性能指標 （173）

7.1.2 頻域性能指標 （173）

7.2 系統校正 （177）

7.2.1 校正的概念 （177）

7.2.2 校正方式 （177）

7.3 串聯校正 （178）

7.3.1 增益校正 （178）

7.3.2 相位超前校正 （180）

7.3.3 相位滯後校正 （183）

7.3.4 相位滯後－超前校正 （187）

7.4 PID校正 （191）

7.4.1 PID控制規律及其實現 （191）

7.4.2 PID調節器的設計 （195）

7.5 反饋校正 （198）

本章小結 （203）

習題7 （203）

第8章 根軌跡法 （207）

8.1 根軌跡概述 （207）

8.2 繪製根軌跡的基本條件 （210）

8.2.1 繪製根軌跡的幅值條件 （210）

8.2.2 繪製根軌跡的相位條件 （211）

8.3 根軌跡的繪製 （211）

8.3.1 根軌跡的繪製準則 （211）

8.3.2 根軌跡的繪製實例 （213）

本章小結 （217）

習題8 （217）

第9章 線性離散系統 （219）

9.1 計算機控制系統概述 （220）

9.1.1 計算機控制系統組成 （220）

9.1.2 信號的採樣與採樣定理 （222）

9.2 Z變換 （225）

9.2.1 Z變換的定義 （225）

9.2.2 Z變換的性質 （227）

9.2.3 Z反變換 （229）

9.3 線性離散系統的數學模型 （232）

9.3.1 線性離散系統的差分方程 （232）

9.3.2 脈衝傳遞函數 （235）

9.4 線性離散系統的穩定性分析 （240）

9.4.1 線性離散系統穩定的充分必要條件 （240）

9.4.2 線性離散系統的穩定性判據 （242）

9.4.3 線性離散系統的穩態誤差分析 （244）

9.5 線性離散系統的校正與設計 （247）

9.5.1 對數頻率特性法校正 （247）

9.5.2 有限拍設計 （251）

9.5.3 數字PID控制 （256）

本章小結 （262）

習題9 （263）

第10章 MATLAB在控制工程中的應用 （266）

10.1 MATLAB簡介 （34）

10.2 用MATLAB進行瞬態響應分析 （267）

10.2.1 線性系統的MATLAB表示 （267）

10.2.2 系統單位階躍響應的求法 （268）

10.2.3 系統單位脈衝響應的求法 （268）

10.3 用MATLAB進行頻率響應分析 （269）

10.3.1 用MATLAB作Bode圖 （269）

10.3.2 用MATLAB作Nyquist圖 （271）

10.4 SIMULINK應用 （272）

10.4.1 SIMULINK概述 （272）

10.4.2 啓動SIMULINK工具包 （273）

10.4.3 用SIMULINK創建系統模型 （274）

10.4.4 用SIMULINK進行系統仿真 （277）

本章小結 （278）