機械工程控制基礎（簡體書）

本書講述了經典控制理論的基本原理及其在機械工程領域中的應用。全書共8章，主要介紹了自動控制的基本概念、控制系統在時域和頻域中數學模型的建立，分析了單輸入單輸出線性定常系統的瞬態特性、穩定性和穩態特性，闡述了線性控制系統的時域分析法、頻域分析法、根軌跡法及設計校正方法。 本書簡化或略去了較深奧的嚴格數學推導內容，引入了較多的例題，便於教學和自學。 除第1章外，其餘各章均介紹了利用MATLAB進行相關分析的示例。 為使讀者對經典控制理論的應用有一個完整的瞭解，本書系統並循序漸進地結合各章內容介紹了機床工作臺位置自動控制系統和磁盤驅動器讀入系統兩個設計示例。

本書可作為普通高等院校機械工程及自動化、機械電子工程、機械設計製造及其自動化等專業的教材，也可供相關工程技術人員參考。

前言

第1章緒論1

11控制理論的發展歷史1

12自動控制系統的基本原理3

121自動控制系統的基本概念3

122反饋控制系統的基本組成4

123自動控制系統的基本控制方式5

124自動控制系統的分類6

125自動控制系統的基本要求8

13控制理論在工程中的應用舉例8

131瓦特的飛球離心調速系統8

132工作臺位置自動控制系統9

133磁盤驅動器讀入系統11

134機器人位置與力控制系統12

14自動控制系統的分析與設計工具14

15本課程的特點和學時安排15

習題16

第2章控制系統的動態數學模型18

21數學模型的概念18

22控制系統的微分方程19

221建立控制系統微分方程的基本步驟19

222機械系統的微分方程20

223電路系統的微分方程22

224機電系統的微分方程23

225非線性微分方程的線性化24

23拉普拉斯變換和反變換26

231拉普拉斯變換的定義26

232典型函數的拉普拉斯變換27

233拉普拉斯變換的性質28

234拉普拉斯反變換及其計算方法33

235借助拉普拉斯變換解常係數線性微分方程36

24傳遞函數和典型環節的傳遞函數37

241傳遞函數的概念37

242特徵方程、零點和極點38

243傳遞函數的求法39

244典型環節的傳遞函數40

25系統框圖及其簡化45

251系統框圖的組成45

252環節連接方式及運算法則46

253系統框圖的變化法則與簡化47

254利用框圖簡化求系統傳遞函數49

255信號流圖與梅遜公式52

26控制系統的傳遞函數55

27控制系統數學模型的MATLAB描述57

271傳遞函數的MATLAB描述57

272環節連接方式及系統框圖簡化的MATLAB描述60

28系列工程問題舉例63

281工作臺位置自動控制系統數學建模63

282磁盤驅動器讀入系統數學建模66

習題68

第3章時域瞬態響應分析72

31時域響應及典型輸入信號72

32一階系統的瞬態響應74

321一階系統的單位階躍響應74

322一階系統的單位斜坡響應75

323一階系統的單位脈衝響應76

324一階系統的單位加速度響應76

33二階系統的瞬態響應77

331二階系統的單位階躍響應79

332二階系統的單位脈衝響應81

333二階系統的單位斜坡響應82

34二階系統瞬態響應的性能指標84

35高階系統的瞬態響應89

36MATLAB在時間響應分析中的應用92

361基於MATLAB工具箱的時域分析92

362系統框圖輸入與仿真工具Simulink94

37系列工程問題舉例100

371工作臺位置自動控制系統的時域響應分析100

372磁盤驅動器讀入系統的時域響應分析101

習題103

第4章控制系統的頻率特性分析106

41頻率特性106

411頻率特性概述106

412頻率特性的特點與作用110

413頻率特性的求取方法111

42極坐標圖113

421極坐標圖概述113

422典型環節的極坐標圖113

423一般系統極坐標圖的作圖方法117

424極坐標圖的一般形狀119

43對數坐標圖120

431典型環節頻率特性的對數坐標圖121

432一般系統對數坐標圖的作圖方法126

433最小相位系統129

44由頻率特性曲線求系統傳遞函數131

45控制系統的閉環頻率性能指標134

451開環頻率特性與閉環頻率特性的關係134

452閉環頻率性能指標135

46利用MATLAB繪製頻率特性曲線136

461奈奎斯特曲線的繪製136

462伯德圖的繪製138

47系列工程問題舉例141

471工作臺位置自動控制系統的頻域分析141

472磁盤驅動器讀入系統的頻域分析141

習題145

第5章控制系統的穩定性分析149

51系統穩定性的基本概念及充分必要條件149

511系統穩定性的基本概念149

512系統穩定的充分必要條件150

52代數穩定判據151

521勞斯穩定判據151

522赫爾維茨穩定判據158

53奈奎斯特穩定判據159

531輻角定理160

532輔助函數162

533奈奎斯特穩定判據164

534奈奎斯特穩定判據的應用舉例166

54伯德判據169

55控制系統的相對穩定性171

56利用MATLAB分析系統穩定性174

57系列工程問題舉例178

571工作臺位置自動控制系統穩定性分析178

572磁盤驅動器讀入系統穩定性分析179

習題181

第6章控制系統的誤差分析185

61穩態誤差的基本概念185

62由輸入信號引起的穩態誤差186

621穩態誤差計算186

622靜態誤差係數188

63干擾引起的穩態誤差191

64減小系統誤差的途徑194

65利用MATLAB計算系統的穩態誤差194

66系列工程問題舉例195

661工作臺位置自動控制系統誤差分析195

662磁盤驅動器讀入系統誤差分析196

習題198

第7章控制系統的綜合與校正200

71系統的性能指標200

711時域性能指標200

712頻域性能指標200

713開環頻率特性的三個頻段200

714閉環頻域指標與時域指標的關係203

72系統校正概述205

73串聯校正207

731相位超前校正207

732相位滯後校正210

733相位滯後超前校正212

74採用對數坐標圖進行串聯校正網絡的設計213

7