现代机械工程自动控制PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 机械工程的发展与控制理论的应用 1

1.3 控制系统应用举例 4

1.3.1 工作台位置自动控制系统 4

1.3.2 磁悬浮系统 8

1.3.3 简单机械手 11

1.4 机械自动控制系统的分类 12

习题 13

第2章 自动控制系统的驱动器与传动装置 14

2.1 概述 14

2.2 直流伺服电动机及其控制 14

2.2.1 直流伺服电动机的分类和特点 15

2.2.2 直流伺服电动机的控制特性 15

2.2.3 直流伺服电动机的驱动与控制 19

2.2.4 无刷直流伺服电动机 22

2.3 交流伺服电动机及其控制 23

2.3.1 概述 23

2.3.2 交流伺服电动机的控制特性 23

2.3.3 交流伺服电动机的使用 27

2.4 步进电动机及其控制 30

2.4.1 步进电动机的主要性能指标 31

2.4.2 步进电动机的控制特性 33

2.4.3 步进电动机的选择与使用 33

2.5 特种电动机及其应用 35

2.5.1 力矩电动机 35

2.5.2 直线电动机 36

2.6 运动控制系统中的传动机构 37

2.6.1 谐波齿轮传动机构 37

2.6.2 滚珠丝杠和直线导轨 38

2.6.3 同步齿型带和带传动机构 38

2.7 驱动系统设计 38

2.7.1 一般性设计原则 39

2.7.2 设计举例 40

2.8 工程实例中的驱动及其传动技术 41

习题 43

第3章 机械工程中的常用自动控制系统 44

3.1 概述 44

3.2 微控制系统 45

3.3 专用控制系统 47

3.4 计算机控制系统 48

3.4.1 通用工业控制计算机 48

3.4.2 数据采集卡及常用传感器 50

3.4.3 其他类型工控机 54

3.5 运动控制卡 55

3.6 可编程自动化控制系统 60

3.7 工程实例中的控制系统设计 61

3.7.1 倒立振子／台车控制系统 61

3.7.2 简单机械手 62

习题 64

第4章 现代机械工程系统数学模型的建立 65

4.1 自动控制系统的微分方程 65

4.2 自动控制系统的传递函数 67

4.3 控制系统的状态空间描述 68

4.3.1 基本概念 68

4.3.2 自动控制系统的状态空间表达式 69

4.4 状态空间表达式的建立方法 72

4.4.1 建立状态空间表达式的直接方法 72

4.4.2 由微分方程求状态空间表达式 77

4.4.3 由系统传递函数写出状态空间表达式 82

4.5 从系统的状态空间表达式求传递函数矩阵 83

4.5.1 传递函数矩阵的概念 83

4.5.2 由状态空间表达式求传递函数矩阵 84

4.6 离散控制系统的数学模型 87

4.6.1 离散控制系统概述 87

4.6.2 Z变换和Z反变换 89

4.6.3 离散系统的差分方程 92

4.6.4 离散系统的传递函数 94

4.6.5 离散系统的状态空间表达式 99

4.7 MATLAB的运用与分析 103

4.7.1 系统数学模型的MATLAB表示 103

4.7.2 系统模型的转换 105

4.8 工程实例中的数学模型的建立 108

4.8.1 工作台位置自动控制系统 108

4.8.2 倒立振子／台车控制系统 111

4.8.3 简单机械手 113

习题 115

第5章 机械工程自动化系统的时域分析 119

5.1 单输入单输出系统时域分析 119

5.1.1 一阶系统的时域响应 119

5.1.2 二阶系统的时间响应 121

5.2 线性定常齐次状态方程的解 128

5.2.1 直接求解 128

5.2.2 利用拉氏变换求解 130

5.3 矩阵指数 131

5.3.1 矩阵指数的一般性质 131

5.3.2 特殊矩阵指数的性质 131

5.4 状态转移矩阵 135

5.4.1 基本概念 135

5.4.2 状态转移矩阵的性质 136

5.5 线性常系数非齐次状态方程的解 136

5.5.1 直接求解法 136

5.5.2 利用拉氏变换求解 139

5.6 线性系统的可控性与可观测性 139

5.6.1 线性连续系统的可控性判别准则 140

5.6.2 线性连续系统的可观测性判别准则 144

5.6.3 可控性与可观测性的对偶关系 147

5.6.4 磁球悬浮系统分析实例 148

5.7 系统的可控标准型与可观测标准型 150

5.7.1 系统的可控标准型 150

5.7.2 系统的可观测标准型 153

5.8 离散状态方程的解 155

5.8.1 递推法 155

5.8.2 Z变换法 155

5.9 离散系统的可控性与可观测性 156

5.9.1 线性离散系统的可控性 156

5.9.2 线性离散系统的可观测性 157

5.10 MATLAB在状态空间分析的应用 158

5.10.1 矩阵指数函数的计算 158

5.10.2 线性定常连续系统的状态空间模型求解 159

5.10.3 连续系统的离散化 162

5.10.4 线性定常离散系统的状态空间模型求解 163

5.10.5 系统的可控性和可观测性判断 163

5.11 工程实例中的时域分析 166

5.11.1 工作台位置自动控制系统 166

5.11.2 倒立振子／台车控制系统 168

5.11.3 简单机械手 169

习题 171

第6章 系统稳定性分析 176

6.1 系统稳定性的基本概念 176

6.2 代数稳定性判据 178

6.2.1 赫尔维茨判据 178

6.2.2 劳斯判据 180

6.3 李雅普诺夫稳定性分析法 185

6.3.1 平衡状态 185

6.3.2 范数的概念 186

6.3.3 李雅普诺夫稳定性定义 186

6.3.4 李雅普诺夫函数V（x）的符号定义 188

6.3.5 二次型标量函数的正定性 189

6.3.6 李雅普诺夫直接法 189

6.4 线性定常系统的稳定性分析 190

6.5 离散系统的Z域分析 192

6.5.1 离散系统的稳定性分析 192

6.5.2 极点分布与瞬态响应的关系 194

6.5.3 离散系统的稳态误差 195

6.6 离散系统的稳定性分析 197

6.7 MATLAB在系统稳定性分析中的应用 198

6.7.1 线性定常连续系统的李雅普诺夫稳定性分析 198

6.7.2 线性定常离散系统的李雅普诺夫稳定性分析 199

6.8 工程实例中的稳定性分析 201

6.8.1 工作台位置自动控制系统 201

6.8.2 倒立振子／台车控制系统 202

6.8.3 简单机械手 203

习题 204

第7章 现代机械自动控制系统设计 207

7.1 概述 207

7.1.1 设计要求 207

7.1.2 控制器结构 208

7.1.3 设计的基本原则 209

7.2 并联校正 210

7.2.1 反馈校正 210

7.2.2 顺馈校正 211

7.3 串联校正 212

7.3.1 Bode定理简介及应用 213

7.3.2 相位超前校正 214

7.3.3 相位滞后校正 215

7.3.4 相位滞后—超前校正 216

7.4 控制器类型 217

7.4.1 PID控制器 217

7.4.2 有源相位超前控制器 222

7.4.3 有源相位滞后控制器 223

7.4.4 有源相位滞后—超前控制器 223

7.5 系统的状态反馈 224

7.6 系统的输出反馈 225

7.7 系统极点的配置 226

7.7.1 齐次状态方程的极点配置 226

7.7.2 非齐次状态方程的极点配置 227

7.8 状态观测器及其设计 228

7.8.1 全维状态观测器的设计 228

7.8.2 带有状态观测器的闭环控制系统 230

7.8.3 降维状态观测器的设计 233

7.9 离散系统的校正与设计 236

7.9.1 模拟化设计法 236

7.9.2 离散设计法 237

7.9.3 最少拍设计 238

7.10 MATLAB在系统设计中的应用 242

7.10.1 极点配置 242

7.10.2 状态观测器设计 244

7.11 工程实例中的系统设计 245

7.11.1 工作台位置自动控制系统 245

7.11.2 倒立振子／台车控制系统 247

7.11.3 简单机械手 249

习题 251

第8章 最优控制理论基础 256

8.1 概述 256

8.2 最优性能指标 258

8.2.1 积分型最优性能指标 258

8.2.2 末值型最优性能指标 259

8.2.3 综合最优性能指标 259

8.2.4 最优控制的约束条件 260

8.3 系统的最优参数问题 260

8.4 连续系统的二次型最优控制 261

8.4.1 连续系统二次型调节器问题的求解 262

8.4.2 连续系统二次型调节器问题的拓展 263

8.4.3 MATLAB实现 264

8.5 离散系统的二次型最优控制 265

8.5.1 离散系统二次型最优控制问题的求解 265

8.5.2 采用离散极小值原理的求解 266

8.5.3 最小性能指标的计算 268

8.6 动力减振器的最优控制 274

习题 276

第9章 智能控制理论基础 279

9.1 智能控制的结构 279

9.2 学习控制系统 280

9.2.1 学习控制的发展 280

9.2.2 学习控制的基本原理 281

9.2.3 学习控制的应用举例 282

9.3 模糊控制系统 285

9.3.1 集合的基本概念和术语 285

9.3.2 模糊控制的理论基础 287

9.3.3 模糊控制的基本原理 289

9.3.4 模糊控制的应用举例 296

9.4 专家控制系统 302

9.4.1 专家控制系统的结构 302

9.4.2 专家系统的类型 303

9.4.3 专家控制系统的应用举例 304

9.5 人工神经网络控制系统 307

9.5.1 人工神经元模型 307

9.5.2 人工神经网络的构成 308

9.5.3 人工神经网络的学习算法 309

9.5.4 人工神经网络应用举例 311

9.6 仿人智能控制 313

9.6.1 仿人智能控制的基本思想 314

9.6.2 仿人智能控制的原型算法 314

9.6.3 仿人智能控制器设计的基本步骤 315

9.6.4 仿人智能控制的应用举例 316

9.7 其他智能控制方法 320

9.7.1 智能PID控制 320

9.7.2 自适应控制系统 323

习题 326

参考文献 327

部分习题参考答案 328