機械控制工程基礎

本書主要介紹了經典控制理論的基本內容，涉及控制系統的基本原理、分析方法、設計校正及應用實例等。本書共分5章，內容包括：緒論，控制系統的數學模型，控制系統的時域分析，控制系統的時域分析，控制系統的綜合與校正。本書旨在培養學生分析和解決複雜工程問題的能力，在理論分析的基礎上，結合機械行業的工程實際，將各知識點的工程案例由淺入深講解，貫穿全書。此外每章還融入了MATLAB軟件在控制系統分析和設計中的應用，幫助學生提高運用現代工具解決問題的能力。

本書主要適於高等院校機械設計製造及其自動化、車輛工程專業本科生使用，也可供相關專業的工程技術人員參考。

第1章 緒論

1.1 自動控制系統的基本原理

1.1.1 控制系統舉例

1.1.2 反饋控制系統的構成

1.1.3 對控制系統的基本要求

1.2 自動控制系統的分類

1.2.1 按控制系統有無反饋分

1.2.2 按輸入量的變化規律分

1.3 機械控制工程研究的對象與方法

1.4 控制理論發展簡史

1.5 本課程的教學方法

習題

第2章 控制系統的數學模型

2.1 控制系統的微分方程

2.1.1 線性系統與非線性系統

2.1.2 建立線性系統微分方程的步驟

2.1.3 機械系統的微分方程

2.1.4 電氣系統的微分方程

2.1.5 系統非線性微分方程的線性化

2.2 拉普拉斯變換

2.2.1 拉普拉斯變換的定義

2.2.2 典型時間函數的拉氏變換

2.2.3 拉普拉斯變換定理

2.2.4 拉普拉斯反變換

2.2.5 部分分式展開法

2.3 傳遞函數

2.3.1 傳遞函數的概念

2.3.2 基本環節的傳遞函數

2.4 系統的方框圖及其連接

2.4.1 控制系統的基本連接方式

2.4.2 擾動作用下的閉環控制系統

2.4.3 方框圖的變換與簡化

2.4.4 梅遜公式

2.5 利用MATLAB建立控制系統數學模型

2.5.1 傳遞函數

2.5.2 控制系統的零-極點模型

2.5.3 傳遞函數的特徵根及零-極點圖

2.5.4 控制系統的方框圖模型

本章小結

習題

第3章 控制系統的時域分析

3.1 時間響應的基本概念

3.1.1 概念

3.1.2 時間響應的組成

3.1.3 典型輸入信號

3.2 一階系統的時間響應

3.2.1 一階系統的單位階躍響應

3.2.2 一階系統的單位脈衝響應

3.2.3 一階系統的單位斜坡響應

3.2.4 線性定常系統時間響應的性質

3.3 二階系統的時間響應

3.3.1 二階系統的數學描述

3.3.2 二階系統的單位階躍響應

3.3.3 二階系統的單位脈衝響應

3.4 瞬態響應的性能指標

3.5 穩定性和Routh穩定判劇

3.5.1 穩定性的概念

3.5.2 線性定常系統穩定的充要條件

3.5.3 Routh穩定判據

3.6 誤差分析與計算

3.6.1 基本概念

3.6.2 穩態誤差的計算

3.6.3 輸入信號作用下的穩態誤差的計算

3.6.4 輸入信號作用下的穩態誤差與系統結構的關係

3.6.5 干擾引起的穩態誤差和系統的總誤差

3.7 基於MATLAB的控制系統時域分析

本章小結

習題

第4章 控制系統的頻域分析

4.1 頻率特性的基本概念

4.1.1 頻率響應和頻率特性

4.1.2 頻率特性的求取方法

4.2 頻率特性的圖形表示法

4.2.1 頻率特性的極座標圖

4.2.2 頻率特性的對數座標圖

4.2.3 典型環節的頻率特性

4.3 系統的開環頻率特性

4.3.1 最小相位系統

4.3.2 系統開環Nyquist圖的繪製

4.3.3 系統開環Bode圖的繪製

4.3.4 開環頻率特性與閉環系統性能的關係

4.4 頻域穩定判據

4.4.1 Nyquist穩定判據

4.4.2 Bode穩定判據

4.5 相對穩定性

4.5.1 相位裕量

4.5.2 幅值裕量

4.6 系統閉環頻率特性

4.6.1 閉環頻率特性

4.6.2 閉環系統頻率特性的特徵量

4.6.3 二階系統的頻域性能指標

4.6.4 閉環頻域性能指標與時域性能指標之間的關係

4.7 頻率響應法估計系統的數學模型

4.7.1 頻率響應法一般步驟

4.7.2 舉例

4.8 利用MATLAB進行控制系統的頻率分析和穩定性判斷

4.8.1 控制系統的頻率分析

4.8.2 控制系統的穩定性分析

本章小結

習題

第5章 控制系統的綜合與校正

5.1 系統校正的基本概念

5.1.1 控制系統的性能指標

5.1.2 控制系統的校正方法

5.2 串聯校正

5.2.1 相位超前校正

5.2.2 相位滯後校正

5.2.3 相位滯後-超前校正

5.3 並聯校正

5.3.1 反饋校正

5.3.2 反饋校正的作用

5.3.3 順饋校正

5.4 控制器類型

5.4.1 PD控制器

5.4.2 PI控制器

5.4.3 PID控制器

5.5 利用MATLAB進行控制系統的校正

5.5.1 相位超前校正

5.5.2 相位滯後校正

5.5.3 相位滯後-超前校正

5.5.4 PID校正

本章小結

習題

習題答案

參考文獻

龐新宇，博士，太原理工大學機械與運載工程學院教授，碩士生導師。中國振動工程學會動態測試專業委員會理事，全國高校機械工程測試技術研究會理事，山西省振動工程學會常務理事、副秘書長，煤礦綜採裝備山西省重點實驗室故障診斷方向負責人，山西省精品共享課程、省級一流課程“機械控制工程基礎”課程負責人。主編《機械控制工程基礎》《機械故障診斷基礎》教材2部。主持完成山西省教學改革項目2項，發表教學改革論文6篇。主持及參與***、省級項目10餘項，發表學術論文50餘篇，授權發明專利2項，軟件著作權2項，出版專著2部。培養碩士研究生30餘人。