机械控制工程基础PDF电子书下载

1 绪论 1

1.1　机械控制工程概述 1

1.2　信息与信息方法 2

1.2.1　信息的定义 2

1.2.2　信息的一般特征 2

1.2.3　信息方法 3

1.3　系统与同构理论 3

1.3.1 系统 3

1.3.2　机械系统 4

1.3.3 同构理论 4

1.4　反馈与反馈控制 4

1.4.1　反馈 4

1.4.2　反馈机制 5

1.4.3　反馈控制 5

1.5　反馈控制系统 6

1.5.1 开环控制与闭环控制 6

1.5.2 闭环控制系统的构成 6

1.5.3 自动控制系统按输出变化规律的分类 7

1.6　对控制系统性能的基本要求 8

本章小结 8

习题 8

2　控制系统的数学模型 9

2.1　控制系统的微分方程 9

2.1.1 线性系统与非线性系统 9

2.1.2　线性系统微分方程的列写 10

2.1.3 系统非线性微分方程的线性化 12

2.2　传递函数 14

2.2.1　传递函数的定义 14

2.2.2　传递函数的常见形式 14

2.3　传递函数方块图 15

2.3.1　控制系统的基本连接方式 15

2.3.2 扰动作用下的闭环控制系统 17

2.3.3　方块图的绘制 17

2.3.4 方块图的变换 18

2.3.5　方块图的简化 19

2.4　典型环节的传递函数 21

2.4.1 比例环节 22

2.4.2　惯性环节 23

2.4.3　微分环节 24

2.4.4 积分环节 26

2.4.5　振荡环节 26

2.4.6　延时环节 28

本章小结 29

习题 29

3　控制系统的时域分析 33

3.1　时间响应与典型输入信号 33

3.1.1 时间响应及其组成 33

3.1.2　典型输入信号 34

3.2　一阶系统的时间响应 36

3.2.1　一阶系统的数学模型 36

3.2.2　一阶系统的单位阶跃响应 36

3.2.3 一阶系统的单位脉冲响应 37

3.3　二阶系统的时间响应 37

3.3.1　二阶系统的数学模型 37

3.3.2　二阶系统的单位阶跃响应 38

3.3.3　二阶系统的单位脉冲响应 39

3.4　高阶系统的时间响应 40

3.4.1 高阶系统的时间响应分析 40

3.4.2 高阶系统的简化 41

3.5　控制系统的动态性能指标 41

3.5.1 瞬态响应的性能指标 41

3.5.2 时间响应的实验方法 45

3.6　控制系统的稳定性 45

3.6.1　稳定性的基本概念 45

3.6.2　线性系统稳定的充要条件 46

3.6.3　Routh-Hurwitz稳定判据 47

3.7　计算机辅助时域分析 51

本章小结 53

习题 54

4　控制系统的频域分析 55

4.1　频率特性的基本概念 55

4.1.1 频率响应 55

4.1.2　频率特性 56

4.1.3　频率特性的求取方法 56

4.1.4　频率特性分析法的特点 58

4.2　频率特性的图形表示方法 59

4.2.1 极坐标图（Nyquist图） 59

4.2.2 对数频率特性图（Bode图） 60

4.2.3　典型环节的频率特性图 61

4.3　控制系统的频率特性图 64

4.3.1 系统的开环频率特性图 64

4.3.2 闭环系统的频率特性图 69

4.3.3 闭环频率特性图与开环频率特性图的对应关系 70

4.4　控制系统稳定性的频域判据 71

4.4.1 幅角原理 71

4.4.2　基于极坐标图的奈魁斯特判据 72

4.4.3　基于Bode图的奈魁斯特判据 75

4.5　控制系统的相对稳定性 77

4.5.1　相位裕量 77

4.5.2　增益裕量 77

4.6 闭环系统性能的频域分析 79

4.6.1 系统动态性能的频域指标 79

4.6.2 系统的频域指标与时域指标之间的关系 80

4.6.3　根据频率特性图分析系统的时域动态性能 82

4.7　计算机辅助频域分析 82

4.7.1　频率特性的极坐标图 82

4.7.2 频率特性的Bode图 83

本章小结 84

习题 85

5　控制系统的误差分析 88

5.1　误差的概念 88

5.2　系统的类型 90

5.3　静态误差 91

5.3.1 静态误差系数和静态误差的计算 91

5.3.2 干扰输入作用下的静态误差 93

5.3.3 复合控制系统的误差分析 95

5.4　动态误差 96

本章小结 98

习题 99

6　控制系统的综合与校正 100

6.1　系统校正概述 100

6.1.1　校正的概念 100

6.1.2　校正的分类 100

6.2　控制系统的串联校正 101

6.2.1　相位超前校正 101

6.2.2　相位滞后校正 104

6.2.3　相位滞后-超前校正 106

6.2.4　PID校正器 108

6.2.5　三种串联校正的比较 111

6.3　控制系统的并联校正 111

6.3.1　反馈校正 111

6.3.2　顺馈校正 114

本章小结 115

习题 115

7　采样控制系统初步 117

7.1　概述 117

7.2　信号的采样与采样定理 118

7.2.1　信号的采样 118

7.2.2　采样定理 118

7.2.3　保持器 119

7.3　z变换 120

7.3.1　z变换的定义 120

7.3.2　z变换的性质 121

7.3.3　z反变换 122

7.4　差分方程 123

7.5　脉冲传递函数 124

7.5.1 脉冲传递函数的定义 124

7.5.2　脉冲传递函数G（z）的求法 124

7.5.3 串联环节的脉冲传递函数 125

7.5.4　并联环节的脉冲传递函数 125

7.5.5 闭环系统的脉冲传递函数 126

7.6　采样控制系统的分析 127

7.6.1　采样控制系统稳定性 127

7.6.2　采样系统的动态性能 129

7.6.3 采样控制系统的稳态性能 131

本章小结 131

习题 132

8　倒立摆系统 133

8.1　倒立摆简介 133

8.1.1　倒立摆的分类 133

8.1.2　倒立摆的特性 134

8.1.3　倒立摆的控制目标及控制方法 135

8.2　直线一级倒立摆 135

8.2.1 直线一级倒立摆系统的数学模型 136

8.2.2　直线一级倒立摆系统分析 138

8.2.3　直线一级倒立摆应用示例 139

8.3　直线二级倒立摆建模简介 142

本章小结 146

附录A　拉普拉斯变换 148

附录B　z变换 150

附录C　MATLAB语言及控制系统分析工具简介 152

C.1 MATLAB语言简介 152

C.1.1 MATLAB语言的基本使用方法 152

C.1.2 MATLAB语言程序设计 154

C.2　控制系统工具箱简介 156

C.2.1 工具箱函数简介 156

C.2.2　控制系统模型 156

C.2.3　控制系统的时域分析 157

C.2.4　控制系统的频域分析 157

C.2.5 控制系统的稳定性分析 158

C.3 SIMULINK简介 158

C.3.1　连接与建模 158

C.3.2　仿真与分析 159

参考文献 161