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第1章 绪论 1

1.1概述 1

1.2工程控制理论的研究对象与任务 1

1.3控制系统 2

1.3.1控制系统 2

1.3.2反馈控制系统 3

1.3.3控制系统分类 5

1.4对控制系统的基本要求 9

1.5本课程的特点及学习方法 10

1.6本章小结 10

1.7习题 11

第2章 机械工程控制论的数学基础 12

2.1复数和复变函数 12

2.1.1复数 12

2.1.2复数的运算规则 12

2.1.3复变函数的零点和极点 13

2.2拉氏变换 13

2.2.1拉氏变换的定义 14

2.2.2典型时间函数的拉氏变换 15

2.2.3拉氏变换的主要运算定理 18

2.3拉氏逆变换 22

2.3.1拉氏逆变换的定义 22

2.3.2拉氏逆变换的数学方法 22

2.4拉氏变换在控制工程中的应用 25

2.5本章小结 27

2.6习题 27

第3章 系统的数学模型 29

3.1系统的时域数学模型 29

3.1.1系统微分方程 29

3.1.2非线性微分方程线性化处理 30

3.1.3机械系统的微分方程 31

3.2系统的复域数学模型 37

3.2.1传递函数 37

3.2.2传递函数的零点、极点和增益 39

3.2.3典型环节的传递函数 39

3.3系统传递函数方框图 48

3.3.1系统传递函数方框图 48

3.3.2传递函数方框图的等效变换 50

3.3.3传递函数方框图的简化 52

3.4梅逊公式 58

3.5系统的状态空间模型 58

3.5.1状态变量与状态空间表达式 58

3.5.2线性系统的状态方程 59

3.5.3传递函数与状态空间表达式相互转化 61

3.6本章小结 62

3.7习题 62

第4章 系统的时域分析 65

4.1系统的时间响应及其组成 65

4.1.1系统的时间响应 65

4.1.2非齐次二阶线性微分方程的解及其解的组成 65

4.1.3系统的时间响应组成 66

4.2典型输入信号 68

4.3一阶系统的时间响应 69

4.3.1单位脉冲响应 69

4.3.2单位阶跃响应 70

4.3.3单位斜坡响应 71

4.4二阶系统的时间响应 72

4.4.1二阶系统的传递函数 73

4.4.2二阶系统的特征根 74

4.4.3二阶系统的单位脉冲响应 75

4.4.4二阶系统的单位阶跃响应 77

4.5系统时域性能指标 80

4.5.1系统的时域指标定义 80

4.5.2一阶系统的动态性能指标 81

4.5.3二阶系统响应的动态性能指标 83

4.6高阶系统的时域分析 89

4.6.1典型三阶系统的单位阶跃响应 90

4.6.2高阶系统的单位阶跃响应 91

4.7系统的误差分析与计算 92

4.7.1系统的误差与偏差 93

4.7.2稳态误差 94

4.7.3系统类型 94

4.7.4静态误差系数与稳态误差 95

4.7.5干扰作用下的稳态误差 98

4.8本章小结 103

4.9习题 103

第5章 根轨迹法 106

5.1根轨迹法概述 106

5.1.1根轨迹的基本概念 106

5.1.2根轨迹与系统性能 108

5.1.3闭环零、极点与开环零、极点之间的关系 109

5.1.4根轨迹方程 111

5.2根轨迹绘制的基本法则 112

5.2.1绘制根轨迹的基本法则 112

5.2.2闭环极点的确定 125

5.3广义根轨迹 126

5.3.1参数根轨迹 126

5.3.2添加开环零点的作用 130

5.3.3零度根轨迹 130

5.4系统性能的分析和设计 135

5.4.1闭环零、极点与时间响应的关系 135

5.4.2系统性能的定性分析 138

5.4.3控制系统的复域设计 139

5.5本章小结 144

5.6习题 144

第6章 系统的频率特性 147

6.1频率特性 147

6.1.1频率响应与频率特性 147

6.1.2频率特性的求法 149

6.1.3微分方《程、频率特性、传递函数之间的关系 150

6.1.4频率特性的特点与作用 151

6.2频率特性的极坐标图 151

6.2.1频率特性的极坐标图 151

6.2.2典型环节的Nyquist图 152

6.2.3含有积分环节系统的Nyquist图 157

6.2.4 Nyquist图的一般形状 158

6.2.5机电系统的Nyquist图 160

6.3频率特性的对数坐标图 161

6.3.1频率特性的对数坐标图 161

6.3.2典型环节的Bode图 163

6.3.3典型环节Bode图的特点 170

6.3.4绘制系统的Bode图的步骤 171

6.3.5机电系统的Bode图 173

6.4闭环频率特性与频域性能指标 176

6.4.1闭环频率特性 176

6.4.2频域性能指标 176

6.5最小相位系统与非最小相位系统 177

6.5.1最小相位系统与非最小相位系统 177

6.5.2产生非最小相位系统的环节 178

6.6本章小结 179

6.7习题 179

第7章 系统的稳定性 182

7.1系统的稳定性 182

7.1.1稳定性的概念 182

7.1.2判别系统稳定性的基本原则 183

7.2 Routh稳定判据 185

7.2.1系统稳定的必要条件 185

7.2.2系统稳定的充要条件 186

7.3 Nyquist稳定判据 189

7.3.1 Nyquist稳定判据简介 189

7.3.2开环含有积分环节的系统稳定性分析 192

7.3.3具有延时环节的系统的稳定性分析 197

7.4 Bode稳定判据 201

7.4.1 Nyquist图与Bode图的对应关系 202

7.4.2正负穿越的概念 203

7.4.3 Bode稳定判据 203

7.5系统的相对稳定性 205

7.5.1相位裕度与幅值裕度 206

7.5.2条件稳定系统性 208

7.6本章小结 210

7.7习题 211

第8章 系统的性能校正 213

8.1控制系统的性能指标及校正 213

8.1.1控制系统的时域和频域性能指标 213

8.1.2系统性能校正 214

8.2串联校正 215

8.2.1增益调整校正 215

8.2.2相位超前校正 216

8.2.3相位滞后校正 221

8.2.4相位滞后—超前校正 226

8.3 PID校正 230

8.3.1 PID控制规律 231

8.3.2 PD调节器 231

8.3.3 PI调节器 233

8.3.4 PID调节器 235

8.4反馈校正和顺馈校正 236

8.4.1反馈校正 237

8.4.2顺馈校正 238

8.5本章小结 239

8.6习题 240

第9章 离散控制系统的分析和校正 242

9.1概述 242

9.2信号的采样与保持 243

9.2.1信号的采样 243

9.2.2采样定理 245

9.2.3保持器 247

9.3 Z变换与Z逆变换 247

9.3.1 Z变换的定义 248

9.3.2 Z变换的性质 250

9.3.3 Z逆变换 253

9.4离散控制系统的数学模型 256

9.4.1线性常系数差分方程 256

9.4.2差分方程的解 257

9.4.3脉冲传递函数 258

9.5离散控制系统的性能分析 267

9.5.1离散控制系统的稳定性分析 268

9.5.2离散控制系统的稳态误差分析 273

9.5.3离散控制系统的动态响应分析 274

9.6离散控制系统的校正与设计 276

9.6.1数字控制器D（z）的脉冲传递函数 276

9.6.2最少拍系统的设计与校正 277

9.7本章小结 283

9.8习题 283

第10章 机械工程控制系统的计算机仿真与辅助设计 285

10.1 MATLAB仿真软件简介 285

10.1.1 MATLAB系统构成 285

10.1.2 MATLAB桌面操作环境 286

10.1.3 MATLAB程序设计 289

10.2机械工程控制系统时域特性仿真 291

10.2.1桥式起重机坐标系统 291

10.2.2桥式起重机线性化模型 292

10.2.3桥式起重机载荷摆动传递函数 292

10.2.4桥式起重机传递函数频率特性仿真 292

10.2.5 MATLAB源程序 294

10.3机械工程控制系统频率特性仿真 295

10.3.1桥式起重机传递函数 295

10.3.2桥式起重机传递函数频率特性仿真 295

10.3.3 MATLAB源程序 296

10.4机械工程控制系统根轨迹仿真 297

10.4.1绘制根轨迹的相关MATLAB函数 297

10.4.2电磁驱动水压伺服机构及其线性化模型 298

10.4.3电磁驱动水压伺服机构的根轨迹仿真 299

10.4.4磁盘驱动读取系统的根轨迹仿真 300

10.4.5未来超音速喷气式客机的根轨迹仿真 301

10.5机械工程控制系统稳定性仿真 302

10.5.1集中供热系统的数学模型 303

10.5.2典型PID控制器 303

10.5.3基于Nyquist准则设计PID控制器 304

10.5.4集中供热系统的控制过程仿真 305

10.5.5 MATLAB源程序 307

10.6机械工程控制系统性能校正仿真 307

10.6.1热处理炉的数学模型 307

10.6.2典型PID控制器 308

10.6.3基于Nyquist准则设计PI控制器 309

10.6.4热处理炉的控制过程仿真 310

10.6.5 MATLAB源程序 311

主要符号说明 312

索引 313

参考文献 315