机械工程控制基础9787568278720

第1章 绪论

1.1控制论发展简史

1.2自动控制系统基本概念

1.2.1信息

1.2.2信息的一般特征

1.2.3系统

1.2.4同构理论

1.3反馈与反馈控制

1.3.1反馈

1.3.2反馈控制

1.4自动控制系统的组成及功能

1.4.1自动控制系统的组成和基本环节

1.4.2机电控制系统的组成及功能

1.4.3自动控制系统的工作原理

1.5控制系统的分类

1.6对控制系统性能的基本要求

1.7MATLAB简介

1.7.1 MATLAB的工作窗口

1.7.3MATLAB的符号运算操作

本章小结

习题

第2章控制系统的数学模型

2.1控制系统的微分方程

2.1.1线性系统与非线性系统

2.1.2线性系统微分方程的列写

2.1.3系统非线性微分方程的线性化

2.2传递函数

2.2.1传递函数的定义

2.2.2传递函数的常见形式

2.2.3拉氏变换…

2.2.4拉氏逆变换

2.3传递函数方块图

2.3.1控制系统的基本连接方式

2.3.2扰动作用下的闭环控制系统

2.3.3方块图的绘制

2.3.4方块图的变换

2.3.5方块图的简化

2.4典型环节的传递函数

2.4.1比例环节

2.4.2惆性环节

2.4.3徹分环节

2.4.4积分环节

2.4.5振荡环节

2.4.6延时环节

2.5采用MATLAB分析系统的传递函数

2.5.1传递函数的两种表达形式

2.5.2传递函数方块图的处理

2.5.3简单函数的拉氏变换

本章小结

习题

第3章控制系统的时域分析

3.1时间响应与典型输入信号

3.1.1时间响应及其组成

3.1.2典型输入信号

3.2一阶系统的时间响应

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

3.3二阶系统的时间响应

3.3.1二阶系统的数学模型

3.3.2二阶系统的单位阶跃响应

3.3.3二阶系统的单位脉冲响应

3.4高阶系统的时间响应

3.4.1高阶系统的时间响应分析

3.4.2高阶系统的简化

3.5控制系统的动态性能指标

3.5.1瞬态响应的性能指标

3.5.2时间响应的实验方法

3.6控制系统的稳定性

3.6.1稳定性的基本概念

3.6.2线性系统稳定的充要条件

3.6.3劳斯-赫尔维茨稳定判据

3.7 MATLAB 时域分析

3.7.1系统的单位阶跃响应与单位脉冲响应

3.7.2一阶系统及二阶系统的时域特性

3.7.3带延时环节的系统的典型响应·

3.7.4响应曲线的动态分析

本章小结

习题

第4章控制系统的频域分析

4.1频率特性的基本概念

4.1.1频率响应

4.1.2频率特性

4.1.3频率特性的求取方法

4.1.4频率特性分析法的特点

4.2频率特性的图形表示方法

4.2.1奈奎斯特图（极坐标图）

4.2.2伯德图（对数频率特性图）

4.2.3典型环节的频率特性图

4.3控制系统的频率特性图

4.3.1系统的开环频率特性图

4.3.2系统的闭环频率特性图

4.3.3闭环频率特性图与开环频率特性图的对应关系

……

7.6.2采样系统的动态性能……

7.6.3采样控制系统的稳态性能…

本章小结…

习题

附录拉氏变换及Z变换

参考文献……

第1章绪论

机械控制工程是研究控制论在机械工程中的应用的科学。控制，即“为达到某种目的，对某一对象施加所需的操作”，如温度控制、人口控制、压力控制等。系统是由相互制约的各个部分组成的具有一定功能的整体。在机电系统中，“控制”无处不在，任何机器设备和生产过程都必须按照预定的要求运行。例如，要使数控机床加工出高精度的零件，就必须保证其刀架的位置准确地跟随指令进给；要使发电机正常供电，就必须维持其输出电压恒定，尽量使其不受负荷变化和原动机转速波动的影响；要使热处理炉提供合格的产品，就必须严格控制炉温等。其中发电机、机床、烘炉就是用于工作的机器设备，电压、刀架位置、炉温是表征这些机器设备工作状态的物理量，而额定电压、进给的指令、规定的炉温就是在运行过程中对以上物理量的要求。通常，把这些工作的机器设备称为被控对象或被控量，把要实现控制的目标量，如电压、刀架位置、炉温等称为控制量，而把所希望的额定电压、规定的炉温、电动机的转速等称为目标值或希望值（或参考输入）。因此，控制的基本任务可概括为：使被控对象的控制量等于目标值。

为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机体，称为机电控制系统。在机电控制系统中，主要采取自动控制技术。自动控制技术不仅在机电控制领域得到广泛的应用，而且在现代科学技术的许多领域中起着越来越重要的作用。例如，人造卫星准确地进入预定轨道运行并顺利回收，钢铁冶炼炉的温度维持恒定，通信领域的程控交换机对电话进行自动转接和信息交换，火炮的自动瞄准系统将敌方目标自动锁定，汽车的无人驾驶系统等，这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。显然，自动控制是以一般系统为对象，广泛地使用控制方法进行控制系统的理论设计；而机电控制系统就是应用自动控制工程学的研究成果，把机械作为控制对象，研究怎样通过采用一定的控制方法来适应对象特性的变化，从而达到期望的性能指标。

1.1控制论发展简史

控制论的产生有其自身的实践基础和理论基础。中国古代的指南车、风磨漏斗、木牛流马、水运仪象台等，18世纪英国的蒸汽机调节器，19世纪以来出现的以电信号为主的控制设备，如数控机床等，这些都是人类生产过程中自动控制的实践明证。公元前1400一前1100年，中国、埃及相继出现自动计时漏壶（图1.1），人类产生了最早期的控思想。公元1788年，英国人瓦特（Wat）用离心式调速器控制蒸汽机的转速，由此产生了第一次工业革命。控制论是在第二次世界大战中随着电子技术、武器火力技术、航空自动驾驶技术等科学技术的发展，以及大战后在生产自动化、电子计算机的实践基础上，总结有关的科学成果形成和发展的。20世纪50年代末60年代初，现代控制理论形成。现代控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研究多输入一多输出、时变、非线性等系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制、智能控制等问频，控制理论研究的重点开始由频域转移到时域。

控制论创始人维纳（Wiener）1948年发表的《控制论》一文奠定了控制论的基础，标志

着经典控制理论基本形成。经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入一单输出系统的分析和控制问题。维纳发现，机器系统、生命系统其至社会和经溶系统都有一个共同的特占

即通过信息的传递、加工处理和反馈来进行控制。于是，他提出控制论所具有的信息、反馈

与控制三要素，即控制论的中心思想。控制论建立后迅速渗透到许多科学领域，大大推动了

近代科学技术的发展，并派生出许多新的边缘学科。1954年，我国学者钱学森运用控制论的思想和方法，首创了“工程控制论”。作为技术科学的控制论，对工程技术、生物和生命现象、经济科学的研究，以及对社会研究都有深刻的意义，相较于相对论和量子论，对社会的作用有过之而无不及。从科学理论的角度来看，我们可以毫不含糊地说，20世纪上半叶的三大伟绩是相对论、量子论和控制论，也可称之为三项科学革命，它们是人类认识客观世界的三大飞跃。钱学森把控制论推广到其他领域后，继而出现了“生物控制论”▁-运用控制论研究生命系统的控制与信息处理；

“经济控制论”——运用控制论研究经济运行与发展问题；“社会控制论”——运用控制论

研究社会管理与社会服务问题。

随着科学技术的进步，特别是计算机科学的发展，控制论无论是在三要素的内涵上，还是在其深度与广度上，都在迅速发展着，变化着。实践证明，它不仅具有重大的理论意义，而且对生产的发展、尖端技术的研究及社会管理的进步都产生了重大影响（图1.2）。在人类社会逐步进入高度信息化社会的今天，我们也要注意一个基本的事实，即社会的生产资料与生活资料主要还是要靠制造业来完成，而机械控制工程是制造……