机械设计手册 机电系统控制

本版手册为新出版的第6版7卷本《机械设计手册》。由于科学技术的快速发展，需要我们对手册内容进行更新，增加新的科技内容，以满足广大读者的迫切需要。

《机械设计手册》自1991年面世发行以来，历经5次修订，截至2016年已累计发行38万套。作为重点科技图书的《机械设计手册》，深受社会各界的重视和好评，在全国具有很大的影响力，该手册曾获得全国优秀科技图书奖二等奖（1995年）、中国机械工业部科技进步奖二等奖（1997年）、中国机械工业科学技术奖一等奖（2011年）、中国出版政府奖提名奖（2013年），并多次获得全国优秀畅销书奖等奖项。1994年，《机械设计手册》曾在我国台湾建宏出版社出版发行，并在海内外产生了广泛的影响。《机械设计手册》荣获的一系列国家和部级奖项表明，其具有很高的科学价值、实用价值和文化价值。《机械设计手册》已成为机械设计领域的一部大型品牌工具书，已成为机械工程领域权威的和影响力较大的大型工具书，长期以来，它为我国装备制造业的发展做出了巨大贡献。

第5版《机械设计手册》出版发行至今已有7年时间，这期间我国国民经济有了很大发展，国家制定了《国家创新驱动发展战略纲要》，其中把创新驱动发展作为了国家的优先战略。因此，《机械设计手册》第6版修订工作的指导思想除努力贯彻“科学性、先进性、创新性、实用性、可靠性”外，更加突出了“创新性”，以全力配合我国“创新驱动发展战略”的重大需求，为实现我国建设创新型国家和科技强国梦做出贡献。

在本版手册的修订过程中，广泛调研了厂矿企业、设计院、科研院所和高等院校等多方面的使用情况和意见。对机械设计的基础内容、经典内容和传统内容，从取材、产品及其零部件的设计方法与计算流程、设计实例等多方面进行了深入系统的整合，同时，还全面总结了当前国内外机械设计的新理论、新方法、新材料、新工艺、新结构、新产品和新技术，特别是在现代设计与创新设计理论与方法、机电一体化及机械系统控制技术等方面做了系统和全面的论述和凝练。相信本版手册会以崭新的面貌展现在广大读者面前，它将对提高我国机械产品的设计水平、推进新产品的研究与开发、老产品的改造，以及产品的引进、消化、吸收和再创新，进而促进我国由制造大国向制造强国跃升，发挥出巨大的作用。

本版手册分为7卷55篇：第1卷机械设计基础资料；第2卷机械零部件设计（连接、紧固与传动）；第3卷机械零部件设计（轴系、支承与其他）；第4卷流体传动与控制；第5卷机电一体化与控制技术；第6卷现代设计与创新设计（一）；第7卷现代设计与创新设计（二）。

本版手册有以下七大特点：

一、构建新体系

构建了科学、先进、实用、适应现代机械设计创新潮流的《机械设计手册》新结构体系。该体系层次为：机械基础、常规设计、机电一体化设计与控制技术、现代设计与创新设计方法。该体系的特点是：常规设计方法与现代设计方法互相融合，光、机、电设计融为一体，局部的零部件设计与系统化设计互相衔接，并努力将创新设计的理念贯穿于常规设计与现代设计之中。

二、凸显创新性

*总书记在2014年6月和2016年5月召开的中国科学院、中国工程院两院院士大会上分别提出了我国科技发展的方向就是“创新、创新、再创新”，以及实现创新型国家和科技强国的三个阶段的目标和五项具体工作。为了配合我国创新驱动发展战略的重大需求，本版手册突出了机械创新设计内容的编写，主要有以下几个方面：

（1）新增第7卷，重点介绍了创新设计及与创新设计有关的内容。

该卷主要内容有：机械创新设计概论，创新设计方法论，顶层设计原理、方法与应用，创新原理、思维、方法与应用，绿色设计与和谐设计，智能设计，仿生机械设计，互联网上的合作设计，工业通信网络，面向机械工程领域的大数据、云计算与物联网技术，3D打印设计与制造技术，系统化设计理论与方法。

前言
前言

（2）在一些篇章编入了创新设计和多种典型机械创新设计的内容。

“第11篇机构设计”篇新增加了“机构创新设计”一章，该章编入了机构创新设计的原理、方法及飞剪机剪切机构创新设计，大型空间折展机构创新设计等多个创新设计的案例。典型机械的创新设计有大型全断面掘进机（盾构机）仿真分析与数字化设计、机器人挖掘机的机电一体化创新设计、节能抽油机的创新设计、产品包装生产线的机构方案创新设计等。

（3）编入了一大批典型的创新机械产品。

“机械无级变速器”一章中编入了新型金属带式无级变速器，“并联机构的设计与应用”一章中编入了数十个新型的并联机床产品，“振动的利用”一章中新编入了激振器偏移式自同步振动筛、惯性共振式振动筛、振动压路机等十多个典型的创新机械产品。这些产品有的获得了国家或省部级奖励，有的是专利产品。

（4）编入了机械设计理论和设计方法论等方面的创新研究成果。

1）闻邦椿院士团队经过长期研究，在国际上首先创建了振动利用工程学科，提出了该类机械设计理论和方法。本版手册中编入了相关内容和实例。

2）根据多年的研究，提出了以非线性动力学理论为基础的深层次的动

《机械设计手册》第6版 单行本共26分册，内容涵盖机械常规设计、机电一体化设计与机电控制、现代设计方法及其应用等内容，具有系统全面、信息量大、内容现代、突显创新、实用可靠、简明便查、便于携带和翻阅等特色。各分册分别为：《常用设计资料和数据》《机械制图与机械零部件精度设计》《机械零部件结构设计》《连接与紧固》《带传动和链传动摩擦轮传动与螺旋传动》《齿轮传动》《减速器和变速器》《机构设计》《轴弹簧》《滚动轴承》《联轴器、离合器与制动器》《起重运输机械零部件和操作件》《机架、箱体与导轨》《润滑密封》《气压传动与控制》《机电一体化技术及设计》　《机电系统控制》《机器人与机器人装备》《数控技术》《微机电系统及设计》《机械系统概念设计》《机械系统的振动设计及噪声控制》《疲劳强度设计机械可靠性设计》《数字化设计》《工业设计与人机工程》《智能设计仿生机械设计》。

本单行本为《机电系统控制》，主要介绍了机电系统控制概述、控制系统数学模型、控制系统分析方法、控制系统设计方法、先进控制理论基础、机械运动控制系统等内容。

本书供从事机械设计、制造、维修及有关工程技术人员作为工具书使用，也可供大专院校的有关专业师生使用和参考。 

出版说明
前言

第25篇机电系统控制

第1章概述

1自动控制系统的基本组成25-3

2自动控制系统的分类25-3

3对自动控制系统的基本要求25-4

4控制系统的性能指标25-4

41控制系统的时域性能指标25-5

411典型输入信号25-5

412一阶系统的时域性能指标25-5

413二阶系统的时域性能指标25-5

414高阶系统的时域性能指标25-7

42控制系统的频域性能指标25-8

5自动控制系统设计的基本原则25-8

第2章控制系统数学模型

1系统的微分方程25-10

2系统的传递函数25-11

21传递函数的定义25-11

22传递函数的性质 25-11

23与传递函数相关的几个基本概念25-11

24典型环节的微分方程和传递函数25-11

3系统的状态空间表达式25-13

31基本概念25-13

32状态空间表达式25-13

33状态空间表达式的建立方法25-14

331建立状态空间表达式的直接
方法25-14

332由微分方程求状态空间表达式25-14

333由系统传递函数写出状态空间
表达式25-14

34系统的传递函数矩阵25-14

341传递函数矩阵的概念25-14

342由状态空间表达式求传递函数
矩阵25-15

4离散系统的数学模型25-15

41离散系统的差分方程25-15

411差分方程含义25-15

412差分方程的解法25-16

42离散系统的传递函数25-16

421离散传递函数的定义25-16

422离散传递函数的求法25-16

423开环系统的脉冲传递函数25-17

424闭环系统的脉冲传递函数25-17

43离散系统的状态空间表达式25-17

431离散系统状态方程的建立25-17

432离散系统的传递矩阵25-19

5系统框图25-19

51画框图的规则25-19

52框图的基本连接方式与等效变换
规则25-19

53框图的简化25-20

6信号流图 25-20

61信号流图的性质25-20

62信号流图的简化25-20

63梅逊公式及其应用25-20

7非线性系统线性化25-21

第3章控制系统分析方法

1频率特性分析法25-23

11频率特性的基本概念25-23

12频率特性的求法25-23

13频率特性的图示法25-23

131极坐标图25-23

132对数坐标图25-23

2根轨迹分析法25-27

21根轨迹定义25-27

22根轨迹的幅值条件和相角条件25-27

23绘制根轨迹的基本规则25-27

24在开环传递函数中增加极点、零点
的影响25-28

3系统稳定性25-29

31系统稳定性的基本概念25-29

32线性系统的代数稳定性判据25-29

321赫尔维茨判据25-29

322劳斯判据25-30

323谢绪恺判据25-31

33李亚普诺夫稳定性判据25-31

34乃奎斯特稳定性判据25-31

341乃奎斯特判据25-31

342乃奎斯特判据的应用25-32

35根据Bode图判断系统的稳定性25-33

36系统的相对稳定性25-33

361相位稳定裕度25-33

362幅值稳定裕度25-33

目录
目录
363关于相位裕度和幅值裕度的
几点说明25-33

4控制系统的误差25-34

41系统的复域误差25-34

42系统时域稳态误差25-34

43系统稳态误差的计算25-34

431系统的类型25-34

432系统的误差传递函数25-34

433稳态误差系数与稳态误差25-34

44扰动引起的误差25-35

5离散系统的Z域分析25-36

51离散系统的稳定性分析25-36

52极点分布与瞬态响应的关系25-36

53离散系统的稳态误差25-37

第4章控制系统设计方法

1控制系统设计的基本原理25-38

11Bode定理25-38

12反馈校正25-38

13顺馈校正25-39

14串联校正25-39

15控制器分类25-39

2控制器设计方法25-41

21按希望特性设计控制器的基本原理25-41

211典型Ⅰ型系统（二阶希望特性
系统）25-41

212典型Ⅱ型系统(三阶希望特性
系统)25-42

22按希望特性设计控制器的图解法25-44

23按希望特性设计控制器的直接法25-45

24PID控制器25-46

3离散系统设计25-47

31模拟化设计法25-47

32离散设计法25-48

33PID数字控制器25-48

第5章先进控制理论基础

1系统智能化25-50

11智能控制的产生背景25-50

12智能机器的智能级别25-50

13智能化系统的结构25-51

14人工智能25-52

141人工智能的定义25-52

142人工智能的发展史25-52

143人工智能的研究与应用25-53

15智能控制系统的特点25-54

16运动状态的智能控制25-55

161交通工具运动状态的智能控制25-55

162各种数控机床运动状态的智能
控制25-55

163机器人运动状态的智能控制25-56

2控制25-56

21性能指标25-56

211积分型性能指标25-56

212末值型性能指标25-57

213综合性能指标25-57

22控制的约束条件25-57

221对系统的控制作用或控制
容量的限制25-57

222终了状态的约束条件25-57

223系统的参数问题25-5

《机械设计手册》第6版 单行本共26分册，内容涵盖机械常规设计、机电一体化设计与机电控制、现代设计方法及其应用等内容，具有系统全面、信息量大、内容现代、突显创新、实用可靠、简明便查、便于携带和翻阅等特色。各分册分别为：《常用设计资料和数据》《机械制图与机械零部件精度设计》《机械零部件结构设计》《连接与紧固》《带传动和链传动摩擦轮传动与螺旋传动》《齿轮传动》《减速器和变速器》《机构设计》《轴弹簧》《滚动轴承》《联轴器、离合器与制动器》《起重运输机械零部件和操作件》《机架、箱体与导轨》《润滑密封》《气压传动与控制》《机电一体化技术及设计》　《机电系统控制》《机器人与机器人装备》《数控技术》《微机电系统及设计》《机械系统概念设计》《机械系统的振动设计及噪声控制》《疲劳强度设计机械可靠性设计》《数字化设计》《工业设计与人机工程》《智能设计仿生机械设计》。

本单行本为《机电系统控制》，主要介绍了机电系统控制概述、控制系统数学模型、控制系统分析方法、控制系统设计方法、先进控制理论基础、机械运动控制系统等内容。

本书供从事机械设计、制造、维修及有关工程技术人员作为工具书使用，也可供大专院校的有关专业师生使用和参考。