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第1章 绪论 1

1.1 机电控制系统的工作原理及其组成 1

1.1.1 机电控制系统概述 1

1.1.2 机电控制系统的应用实例 3

1.1.3 机电控制系统的组成和相关信号 6

1.2 机电控制系统的基本要求 7

1.3 机电控制系统的分类 8

1.4 机电控制理论的发展历史和发展方向 10

1.4.1 经典控制理论的发展 10

1.4.2 现代控制理论的发展现状 10

1.4.3 机电一体化设备的发展方向 11

习题 11

第2章 控制系统的数学模型 14

2.1 时域中的数学模型——控制系统的微分方程 14

2.1.1 机电控制工程的几个基本理论 14

2.1.2 建立控制系统的微分方程 17

2.2 非线性数学模型的线性化 20

2.3 拉氏变换与反变换 22

2.3.1 拉氏变换与反变换的定义 22

2.3.2 几种典型函数的拉氏变换 23

2.3.3 拉氏变换的主要定理 27

2.3.4 拉氏变换与反变换的应用 29

2.4 传递函数 34

2.4.1 传递函数的概念和定义 34

2.4.2 传递函数的特征方程及零点和极点 35

2.4.3 传递函数的性质和有关说明 36

2.4.4 几种典型环节的传递函数 36

2.5 传递函数的方框图及其运算 46

2.5.1 方框图的符号及含义 46

2.5.2 系统方框图的绘制 47

2.5.3 方框图的等效变换 49

2.5.4 信号流图 53

2.5.5 梅逊公式 60

2.5.6 多输入作用下控制系统的传递函数 62

习题 65

第3章 控制系统的时域分析 71

3.1 典型输入信号与系统性能指标 71

3.1.1 典型输入信号 71

3.1.2 过渡过程与稳态过程 72

3.1.3 控制系统的时域性能指标 72

3.2 一阶系统的时间响应 74

3.2.1 一阶系统的数学模型 74

3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应 74

3.2.3 一阶系统的单位斜坡响应 75

3.2.4 一阶系统的单位脉冲响应 76

3.2.5 一阶系统的三种响应之间的关系 77

3.3 二阶系统的时间响应 77

3.3.1 二阶系统的数学模型 77

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应 79

3.3.3 二阶系统响应的性能指标 82

3.4 高阶系统的时间响应 87

3.4.1 高阶系统的数学模型 87

3.4.2 高阶系统的单位阶跃响应 87

习题 88

第4章 线性系统的频域分析法 91

4.1 频率特性 91

4.1.1 频率特性的基本概念与定义 91

4.1.2 关于频率特性的几个结论 93

4.1.3 频率特性的求取 94

4.2 频率特性的图示法 94

4.3 典型环节的频率特性 96

4.3.1 比例环节 96

4.3.2 积分环节 97

4.3.3 纯微分环节 98

4.3.4 惯性环节 99

4.3.5 一阶微分环节 100

4.3.6 振荡环节 101

4.3.7 二阶微分环节 103

4.3.8 延迟环节 104

4.4 控制系统的开环频率特性 105

4.4.1 开环奈氏图的绘制 105

4.4.2 开环Bode图 107

4.4.3 最小相位系统 109

4.4.4 由Bode图估算最小相位系统的传递函数 110

习题 113

第5章 控制系统的稳定性分析 119

5.1 稳定性的基本概念 119

5.1.1 稳定性的定义 119

5.1.2 系统稳定的基本条件 119

5.2 劳斯稳定判据 121

5.2.1 判定系统稳定的必要条件 121

5.2.2 劳斯稳定判据 121

5.2.3 一阶至四阶系统的劳斯稳定判定 123

5.2.4 劳斯稳定判据的特殊情况 124

5.2.5 稳定裕度 125

5.3 奈奎斯特稳定判据 126

5.3.1 辅助函数的构造 127

5.3.2 幅角原理 127

5.3.3 奈奎斯特图判定法 129

5.3.4 奈奎斯特判据举例 131

5.4 对数稳定判据 133

5.4.1 系统开环Bode图与开环奈氏图的对应关系 133

5.4.2 对数Bode图稳定判据的描述 134

5.4.3 系统的相对稳定性——稳定裕度的计算 134

习题 137

第6章 控制系统的准确性分析 140

6.1 系统元件参数变化对闭环系统性能的影响 140

6.1.1 灵敏度的基本概念 140

6.1.2 闭环系统对灵敏度的影响 140

6.1.3 应用举例 141

6.2 控制系统的时域性能指标与频域性能指标的关系 143

6.2.1 时域性能指标回顾 143

6.2.2 频域性能指标及其与时域性能指标的关系 143

6.2.3 开环对数频率特性与时域性能指标的关系 146

6.3 控制系统的误差分析和计算 148

6.3.1 偏差、误差和稳态误差 148

6.3.2 输入作用下的稳态误差 149

6.3.3 干扰作用下的稳态误差 152

6.3.4 提高系统稳态精度的措施 154

习题 156

第7章 控制系统的校正设计 158

7.1 校正设计概述 158

7.2 校正装置及其特性 159

7.2.1 无源校正装置 159

7.2.2 有源校正装置 164

7.3 控制系统的串联校正 169

7.3.1 分析法的超前校正步骤 169

7.3.2 分析法的滞后校正步骤 171

7.3.3 希望特性法的串联校正 173

7.4 控制系统的并联校正 174

7.4.1 反馈校正对系统品质的影响 174

7.4.2 局部反馈的校正方法 175

7.4.3 反馈校正的近似法分析 176

习题 178

第8章 控制系统的工程设计 180

8.1 控制系统工程设计概述 180

8.2 典型系统的特性 180

8.2.1 典型Ⅰ型系统 181

8.2.2 典型Ⅱ型系统 183

8.2.3 典型Ⅰ型和Ⅱ型系统跟随性能的比较 187

8.3 工程设计的基本原则 187

8.3.1 非典型系统简化为典型系统的近似条件 187

8.3.2 利用典型系统预期特性进行工程设计的一般步骤 195

习题 196

第9章 机电控制系统应用举例 197

9.1 晶闸管交流调压位置随动系统 197

9.1.1 晶闸管交流调压位置随动系统的工作原理 197

9.1.2 晶闸管交流调压位置随动系统的数学模型 201

9.2 水位控制系统 202

9.2.1 系统组成 202

9.2.2 系统工作原理分析 203

9.3 发动机离心调速系统 203

9.3.1 液压阀控液压缸和液压阻尼器 203

9.3.2 发动机离心调速系统 204

习题 206

第10章 控制系统的计算机辅助分析与设计 210

10.1 MATLAB入门 210

10.1.1 MATLAB简介 210

10.1.2 MATLAB入门 211

10.2 控制系统的数学模型 215

10.2.1 传递函数模型 215

10.2.2 零极点模型 217

10.2.3 模型之间的转换 217

10.3 控制系统的性能分析 218

10.3.1 控制系统的稳定性分析 218

10.3.2 时域响应分析 221

10.3.3 频率响应分析 223

10.4 控制系统的校正设计 228

习题 233

附录A 234

附录B 253

参考文献 255