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本书介绍工程上广为应用的经典控制论中信息处理和系统分析与综合的基本方法。全书共分9章,分别为:绪论、系统的数学模型、时间特性分析法、频率特性分析法、根轨迹法、控制系统的稳定性分析、控制系统的误差分析与计算、系统的设计与校正、计算机采样控制系统。
本书的特点是在论述上注意深入浅出,精讲多练,简洁实用,每章都采用MATLAB软件对系统进行分析和计算。
本书适用于高等学校机械工程及自动化以及机械设计制造及其自动化等专业大学本科生教材,也可供有关专业工程技术人员参考。

前言

第1章绪论
1.1机械工程控制理论研究的对象与任务
1.2系统的基本概念
1.2.1自动控制系统工作原理
1.2.2系统的分类
1.2.3反馈控制系统的基本组成
1.2.4名词术语
1.3对控制系统的基本要求
1.4本课程的特点及学习方法
习题

第2章系统的数学模型
2.1引言
2.1.1系统的数学模型
2.1.2线性系统
2.1.3非线性系统
2.2线性微分方程式的建立
2.2.1建立线性微分方程式的步骤
2.2.2举例
2.3非线性系统的线性化
2.4拉普拉斯变换
2.4.1拉普拉斯变换的定义
2.4.2拉氏变换的主要定理
2.4.3拉普拉斯反变换
2.4.4用拉氏变换解常系数线性微分方程
2.5传递函数
2.5.1传递函数的概念
2.5.2典型环节的传递函数
2.6方块图及其应用
2.6.1方块图单元、相加点和分支点
2.6.2方块图基本连接方式
2.6.3绘制系统方块图的方法
2.6.4方块图的变换法则
2.6.5系统传递函数的求法
2.7信号流程图及梅逊公式
2.7.1信号流程图
2.7.2定义
2.7.3系统信号流程图的画法
2.7.4梅逊公式
2.8利用MATLAB语言进行部分分式展开
习题

第3章时间特性分析法
3.1时间响应与典型输入信号
3.1.1时间响应的概念
3.1.2典型输入信号
3.1.3瞬态响应的性能指标
3.2一阶系统的瞬态响应
3.2.1一阶系统的数学模型
3.2.2一阶系统的单位阶跃响应
3.2.3一阶系统的单位斜坡响应
3.2.4一阶系统的单位脉冲响应
3.3二阶系统的瞬态响应
3.3.1二阶系统的数学模型
3.3.2二阶系统的阶跃响应
3.3.3二阶系统的单位斜坡响应
3.3.4二阶系统的单位脉冲响应
3.3.5二阶系统阶跃响应与极点的关系
3.3.6二阶系统瞬态响应的性能指标计算
3.4高阶系统的瞬态响应
3.5时间特性的计算机求解
习题

第4章频率特性分析法
4.1频率特性的基本概念
4.1.1频率特性及其物理意义
4.1.2频率特性的求法
4.2频率特性表示法
4.2.1极坐标图(奈奎斯特图)
4.2.2伯德图(Bode图)
4.2.3增益相位图(尼科尔斯图)
4.3典型环节的频率特性
4.3.1比例环节的频率特性
4.3.2积分环节的频率特性
4.3.3理想微分环节的频率特性
4.3.4惯性环节的频率特性
4.3.5一阶微分环节的频率特性
4.3.6二阶振荡环节的频率特性
4.3.7二阶微分环节的频率特性
4.4控制系统开环伯德图和*小相位系统
4.4.1控制系统开环伯德图
4.4.2*小相位系统
4.5闭环频率特性
4.5.1由开环频率特性估计闭环频率特性
4.5.2闭环系统频率特性的性能指标
4.6由实测频率特性曲线确定系统传递函数
4.6.1频率特性实验分析的步骤
4.6.2由伯德图确定系统的传递函数
4.7用MATLAB语言计算频率特性
4.7.1极坐标图(奈奎斯特图)
4.7.2数频率特性图(伯德图)
4.7.3对数幅相频率特性图(尼科尔斯图)
习题

第5章根轨迹法
5.1绘制根轨迹的基本条件
5.1.1基本分析
5.1.2绘制根轨迹的基本条件
5.2以K1为参数变量的根轨迹的绘制
5.2.1根轨迹的起点
5.2.2根轨迹的终点
5.2.3根轨迹的对称性
5.2.4根轨迹的渐近线
5.2.5实轴上的根轨迹
5.2.6根轨迹的出射角和入射角
5.2.7根轨迹的分离点与会合点
5.2.8根轨迹与虚轴的交点(此节可在学完第6章之后学习)
5.3增加开环零极点对根轨迹的影响
5.3.1增加零点的影响
5.3.2增加极点的影响
5.4利用MATLAB语言绘制系统的根轨迹
习题

第6章控制系统的稳定性分析
6.1控制系统稳定性的基本概念
6.1.1稳定性概念
6.1.2系统稳定的条件
6.2劳斯稳定判据
6.2.1劳斯稳定判据的必要条件
6.2.2劳斯稳定判据的充要条件
6.2.3劳斯判据的特殊情况
6.3奈奎斯特稳定判据
6.3.1奈奎斯特稳定判据简介
6.3.2稳定裕度
6.3.3伯德图判据
6.4用MATLAB语言分析稳定性
6.4.1代数稳定判断
6.4.2用伯德图法判断系统稳定性
习题

第7章控制系统的误差分析与计算
7.1控制系统的稳态误差概念
7.2输入引起的稳态误差
7.2.1误差传递函数与稳态误差
7.2.2静态误差系数
7.2.3其他输入信号时的误差
7.3存在扰动时的稳态误差
7.4减小稳态误差的方法
7.5利用MATLAB语言计算系统的稳态误差
习题

第8章系统的设计与校正
8.1系统的性能指标及校正方式
8.1.1控制系统的性能指标分类
8.1.2时域指标和频域指标的对应关系
8.1.3系统设计的一般原则
8.1.4设计方法
8.2调整增益的校正
8.3串联超前校正
8.3.1串联超前校正的应用场合与校正效果
8.3.2串联超前校正装置
8.3.3利用伯德图进行串联超前校正
8.4串联滞后校正
8.4.1串联滞后校正应用场合与校正结果
8.4.2串联滞后校正装置
8.4.3应用举例
8.5滞后-超前校正
8.5.1串联滞后超前校正应用场合与校正结果
8.5.2串联滞后超前校正装置
8.5.3利用伯德图进行串联滞后超前校正
8.5.4应用举例
8.6反馈校正
8.6.1反馈的作用
8.6.2串联校正与反馈校正的比较
习题

第9章计算机采样控制系统
9.1引言
9.2信号的采样与保持
9.2.1采样过程
9.2.2采样定理
9.2.3采样信号的保持
9.3z变换和z反变换
9.3.1z变换的定义
9.3.2z变换方法
9.3.3z变换的基本定理
9.3.4z反变换
9.4采样控制系统的数学模型
9.4.1脉冲传递函数的定义与求解
9.4.2开环采样系统的脉冲传递函数
9.5采样控制系统的性能分析
9.5.1采样控制系统的稳定性分析
9.5.2采样系统极点分布与瞬态响应的关系
9.5.3采样系统的稳态误差
9.6用MATLAB语言设计数字控制系统
习题

部分习题参考答案
……

第1章绪论
在科学技术日新月异的今天,自动控制在工业、农业、国防和科学技术的现代化中起着重要的作用,除了在宇宙飞船系统、导弹制导系统和机器人系统等领域中,自动控制具有关键的作用之外,它已成为现代机器制造业和工业生产过程中不可缺少的组成部分。
例如,在制造工业的数控机床的控制中,在航空和航天工业的自动驾驶仪系统设计中,以及在汽车工业的小汽车和大卡车设计中,自动控制都是必不可少的。此外,在过程控制工业中,对压力、温度、黏度和流量等工业操作过程,自动控制也是不可缺少的。
自动控制理论和实践的不断发展,为人们提供了获得动态系统*佳性能的方法,提高了生产率,并且使人们从繁重的体力劳动和大量重复性的手工操作中解放出来。因此,自动控制理论是大多数工程技术人员和科技工作者**的知识。
自动控制理论主要由经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论组成。
经典控制理论是在复数域中以传递函数概念为基础的理论体系,主要研究单输入、单输出、线性定常系统的分析与设计。
现代控制理论是在时间域中以状态方程概念为基础的理论体系,主要研究具有高性能、高精度的多输入一多输出系统的分析与设计。系统可以是线性的或非线性的、定常的或时变的、连续的或离散的、确定型的或随机型的。
智能控制理论是一类无需人的干预就能够独立驱动智能机器实现其目标的自动控制理论体系,主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题,主要研究具有不确定性的模型、高度非线性及复杂任务要求的系统。
经典控制理论是自动控制理论的基础。它在工业和运输领域,包括机械、化工、能源、交通、轻工甚至国防等大多数实际工程中有着重要的位置,很多工程问题还需要它来解决。经典控制理论仍不失为解决工程问题的基本方法,因此本书将主要介绍经典控制理论即控制工程基础。
现代化工业生产的主要方向是探求*大效益、*低成本、*高产品质量、*低能耗及*大可靠性等*佳状态,对于机械系统和过程(如生产过程、切削过程、锻压、焊接及热处理过程等)也要求*佳控制。因此,控制理论基础在机械系统以及机械工业生产中,得到了广泛的应用,从而形成了一门新型科学“机械工程控制理论”。
机械工程控制理论是研究以机械工程技术为对象的控制理论问题。具体地讲,是研究在这一工程领域中广义系统的动力学问题,也就是研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。
学习机械工程控制基础要解决两
…… 本书是在编者二十几年教学和科研工作的基础上,总结同类教材的经验并吸收国内有关本课程领域内*新的教学和科研成果,精心组织编写而成。
本书作为一门技术基础课教材,力求在阐述控制工程论的基本概念、基本知识和基本方法的基础上,密切结合工程实际,突出**,使读者对经典控制论有较全面的了解。在论述上力求做到概念准确,层次清晰,深入浅出,易教易学。全书取材新颖,舍弃陈旧的内容。每章都尽量采用MATLAB等分析和计算软件,给出分析和计算的程序和实例,使读者通过这些实例,加深对经典控制理论的理解。
全书共分9章,包括绪论、系统的数学模型、时间特性分析法、频率特性分析法、根轨迹法、控制系统的稳定性分析、控制系统的误差分析与计算、系统的设计与校正、计算机采样控制系统等。
本书适用于普通工科院校机械类各专业,也适用于其他各类成人高校、职业技术学院、电大、自学考试有关专业,并可供从事自动控制和控制工程的科技工作者参考。
全书由大连工业大学祝守新、大连理工大学邢英杰、长春工业大学韩连英担任主编。参加本书编写的有: 祝守新(第1、2、3章及全书各章习题和参考答案)、韩连英(第4章)、大连理工大学唐树森(第5章)、长春工业大学盖克荣(第6章)、大连理工大学邢英杰、孙晶(第7、8章)及徐中、孙伟(第9章)。全书由浙江大学陈鹰教授主审。在本书的编写过程中引用了书后有关文献中的材料和思想,谨向这些文献的作者表示谢意。
由于编者的水平,书中的缺点和错误在所难免,恳切希望读者和专家批评指正。