《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》主要介紹了控制工程的基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)，以及MATLAB軟件在控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。全書共分7章，內(nèi)容包括緒論、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析、控制系統(tǒng)的頻域分析、控制系統(tǒng)的根軌跡、控制系統(tǒng)的綜合與校正以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)初步等部分。書中以大量機(jī)電系統(tǒng)的控制實(shí)例滲透于各章節(jié)，每章前配有“主要內(nèi)容”、“重點(diǎn)與難點(diǎn)”和“基本要求”，章后配有“本章小結(jié)”和“思考題與習(xí)題”，便于讀者學(xué)習(xí)和鞏固所學(xué)知識(shí)。并在書后附有部分思考題與習(xí)題的參考答案，以配合課堂教學(xué)，幫助讀者準(zhǔn)確理解有關(guān)概念，掌握解題方法與技巧。
全書章節(jié)內(nèi)容連貫，系統(tǒng)性強(qiáng)。注重控制理論在機(jī)械工程中的應(yīng)用，并結(jié)合機(jī)械系統(tǒng)實(shí)例，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，為將來運(yùn)用控制理論解決機(jī)械工程中的實(shí)際問題打下基礎(chǔ)。
《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》可作為應(yīng)用型本科院校機(jī)械工程類專業(yè)、測(cè)控技術(shù)及儀器類專業(yè)及高職高專院校自動(dòng)化類專業(yè)的教材，也可作為相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員參考書。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是隨著機(jī)械自動(dòng)化程度、儀器設(shè)備精度、勞動(dòng)生產(chǎn)率等不斷地提高，使得自動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)械制造中的地位顯得越來越重要。而計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)的飛速發(fā)展又為控制理論在機(jī)械制造中的廣泛應(yīng)用提供了條件。機(jī)械控制工程基礎(chǔ)是工科院校機(jī)械類和近機(jī)類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的專業(yè)都將該課程列為必修課。對(duì)于大多數(shù)工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者來說，自動(dòng)控制已經(jīng)成為必不可缺少的基礎(chǔ)知識(shí)，很好地掌握并應(yīng)用自動(dòng)控制理論尤為重要。
本書總結(jié)了近年來教學(xué)實(shí)踐和教學(xué)改革的經(jīng)驗(yàn)，并借鑒了國(guó)內(nèi)外同類優(yōu)秀教材，由工作在教學(xué)第一線上具有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的幾位教師編撰而成。本書具有以下特點(diǎn)：
（1）從工程應(yīng)用角度，闡述了自動(dòng)控制的基本概念、基本原理和基本方法。考慮到機(jī)械工程各專業(yè)的需求和特點(diǎn)，本書注重簡(jiǎn)明扼要、通俗易懂。
（2）充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)工具，基于MATuB軟件，強(qiáng)化了在傳統(tǒng)理論學(xué)習(xí)中計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)的作用。
（3）在介紹中多以機(jī)械系統(tǒng)為對(duì)象，將自動(dòng)控制理論與機(jī)械系統(tǒng)控制等具體問題結(jié)合起來，并在應(yīng)用中進(jìn)一步學(xué)習(xí)、消化理解和掌握控制理論和技術(shù)。
（4）內(nèi)容前后知識(shí)銜接緊密，每章前配有“主要內(nèi)容”、“重點(diǎn)與難點(diǎn)”和“基本要求”，章后配有“本章小結(jié)”和“思考題與習(xí)題”，便于讀者鞏固所學(xué)知識(shí)及自學(xué)。
（5）增加了“常用控制工程術(shù)語漢英對(duì)照表”，便于讀者對(duì)于控制類英文資料的理解與閱讀。
常用符號(hào)表
第1章 緒論
1.1 引言
1.1.1 控制理論的發(fā)展
1.1.2 MATLAB工程軟件
1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念
1.2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理
1.2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式
1.2.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成
1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類
1.4 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求
1.5 本課程的學(xué)習(xí)方法
本章小結(jié)
思考題與習(xí)題
第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
2.1 控制系統(tǒng)的微分方程
2.1.1 線性系統(tǒng)（元部件）微分方程的建立
2.1.2 非線性系統(tǒng)微分方程的線性化
2.2 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)
2.2.1 傳遞函數(shù)概述
2.2.2 常用控制元件的傳遞函數(shù)
2.2.3 典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)
2.2.4 傳遞函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式
2.3 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖及其等效變換
2.3.1 結(jié)構(gòu)圖概述
2.3.2 結(jié)構(gòu)圖的等效變換
2.4 控制系統(tǒng)的幾種常用傳遞函數(shù)
2.4.1 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)
2.4.2 閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)
2.4.3 閉環(huán)系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)
2.5 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的MATLAB實(shí)現(xiàn)
2.5.1 傳遞函數(shù)的MATLAB描述
2.5.2 Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖
2.5.3 數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)換
本章小結(jié)
思考題與習(xí)題
第3章 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析
3.1 時(shí)間響應(yīng)與典型輸入信號(hào)
3.1.1 時(shí)間響應(yīng)的概念
3.1.2 典型輸入信號(hào)
3.2 一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)
3.2.1 一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
3.2.2 一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)
3.2.3 一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
3.2.4 一階系統(tǒng)的單位速度響應(yīng)
3.3 二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)
3.3.1 二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
3.3.2 二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
3.4 瞬態(tài)響應(yīng)的性能指標(biāo)
3.5 穩(wěn)態(tài)誤差分析與計(jì)算
3.5.1 穩(wěn)態(tài)誤差的概念
3.5.2 穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算
3.5.3 穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)
3.5.4 干擾作用下的穩(wěn)態(tài)誤差
3.6 Routh-Hurwitz穩(wěn)定判據(jù)
3.6.1 Hurwitz穩(wěn)定性判據(jù)
3.6.2 Routh判據(jù)
3.7 MATLAB環(huán)境下時(shí)域響應(yīng)分析
本章小結(jié)
思考題與習(xí)題
第4章 控制系統(tǒng)的頻域分析
4.1 頻率特性的基本概念
4.1.1 頻率特性概述
4.1.2 頻率特性的求取方法
4.1.3 頻率特性的表示法
4.2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性
4.2.1 比例環(huán)節(jié)
4.2.2 積分環(huán)節(jié)
4.2.3 慣性環(huán)節(jié)
4.2.4 振蕩環(huán)節(jié)
4.2.5 微分環(huán)節(jié)
4.2.6 延時(shí)環(huán)節(jié)
4.2.7 最小相位系統(tǒng)與非最小相位系統(tǒng)
4.3 控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性
4.3.1 系統(tǒng)開環(huán)幅相頻率特性
4.3.2 系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性
4.4 控制系統(tǒng)的頻域穩(wěn)定性分析
4.4.1 系統(tǒng)開環(huán)頻率特性與閉環(huán)特征式的關(guān)系
4.4.2 幅角變化與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系
4.4.3 Nyquist穩(wěn)定判據(jù)
4.4.4 應(yīng)用Bodc圖判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性
4.5 開環(huán)頻率特性分析
4.5.1 開環(huán)頻域性能指標(biāo)
4.5.2 開環(huán)頻率特性與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系
4.5.3 中頻段特性與開環(huán)頻率特性間的關(guān)系
4.6 閉環(huán)頻率特性分析
4.6.1 閉環(huán)頻率特性
4.6.2 閉環(huán)頻域指標(biāo)
4.6.3 閉環(huán)頻域性能指標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)
本章小結(jié)
思考題與習(xí)題
第5章 控制系統(tǒng)的根軌跡
5.1 根軌跡與控制系統(tǒng)特性
5.2.繪制根軌跡的基本法則
5.3 用根軌跡分析控制系統(tǒng)的性能
5.4 利用MATLAB繪制系統(tǒng)根軌跡
本章小結(jié)
思考題與習(xí)題
第6章 控制系統(tǒng)的綜合與校正
6.1 控制系統(tǒng)校正的基本概念
6.1.1 控制系統(tǒng)校正與校正裝置
6.1.2 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)
6.1.3 校正方式
6.2 校正裝置及其特性
6.2.1 超前校正裝置
6.2.2 滯后校正裝置
6.2.3 滯后一超前校正裝置
6.3 串聯(lián)校正
6.3.1 相位超前校正
6.3.2 相位滯后校正
6.3.3 串聯(lián)滯后一超前校正
6.4 并聯(lián)校正
6.4.1 反饋校正
6.4.2 前饋校正
6.5 MATLAB在系統(tǒng)校正中的基本應(yīng)用
本章小結(jié)
思考題與習(xí)題
第7章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)初步
7.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述
7.1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念
7.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成
7.1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類
7.1.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況
7.1.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
7.2 信號(hào)的采樣與復(fù)原
7.2.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)形式
7.2.2 采樣定理
7.2.3 信號(hào)的復(fù)原
7.3 z變換及其逆變換
7.3.1 z變換的定義
7.3.2 z變換的性質(zhì)
7.3.3 z逆變換
7.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
7.4.1 線性差分方程
7.4.2 脈沖傳遞函數(shù)
7.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制算法
7.5.1 數(shù)字PID控制算法
7.5.2 數(shù)字PID控制器的改進(jìn)
7.5.3 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定
本章小結(jié)
思考題與習(xí)題
附錄A 拉普拉斯變換
附錄B 常用函數(shù)的拉普拉斯變換和X變換表
附錄C 常用控制工程術(shù)語漢英對(duì)照表
思考題與習(xí)題參考答案
參考文獻(xiàn)
自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型很多，其結(jié)構(gòu)類型和所完成的任務(wù)也各不相同，常見的主要有以下幾種分類方法和基本類型。
1.按輸入信號(hào)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分類
（1）恒值控制系統(tǒng)：又稱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，此類系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸入量為恒定值�？刂迫蝿�(wù)是保證在任何擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值，如恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。在恒值控制系統(tǒng)中，其控制量取常值，所以使被控制量偏離其期望值的主要因素為擾動(dòng)量的存在。生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量和液位等自動(dòng)控制系統(tǒng)多屬于此類系統(tǒng)。
（2）程序控制系統(tǒng)：輸入量的變化規(guī)律預(yù)先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律發(fā)出控制指令，使被控對(duì)象按照指令程序的要求而運(yùn)動(dòng)，如數(shù)控加工系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)可以是開環(huán)系統(tǒng)，也可以是閉環(huán)系統(tǒng)。
（3）隨動(dòng)控制系統(tǒng)：又稱自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)，此類系統(tǒng)中，輸入信號(hào)的變化規(guī)律不能預(yù)先確定，并要求被控量精確地跟隨輸入量變化。雷達(dá)天線跟隨系統(tǒng)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)就屬于此類系統(tǒng)。
2.按系統(tǒng)信號(hào)類型分類
（1）連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中所有信號(hào)的變化均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用微分方程來描述。
（2）離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中至少有一處信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字量，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律必須用差分方程來描述。
3.按系統(tǒng)線性特性分類
（1）線性控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)或元件的輸入一輸出關(guān)系都呈線性關(guān)系，滿足疊加定理和齊次性原理，可用線性系統(tǒng)理論來分析。
（2）非線性控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中至少有一個(gè)元件的輸入一輸出關(guān)系是非線性的，不滿足疊加定理和齊次性原理，必須采用非線性系統(tǒng)理論來分析。存在死區(qū)、間隙和飽和特性的系統(tǒng)就是非線性控制系統(tǒng)。
4.按系統(tǒng)參數(shù)的變化特征分類
（1）定�？刂葡到y(tǒng)：系統(tǒng)中所有參數(shù)不隨時(shí)間而發(fā)生改變，描述它的微分方程是常系數(shù)微分方程，而且對(duì)它進(jìn)行觀察和研究不受時(shí)間限制。只要實(shí)際系統(tǒng)的參數(shù)變化不太明顯，一般都視作定常控制系統(tǒng)，因?yàn)榻^對(duì)的定�？刂葡到y(tǒng)是不存在的。
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