機械工程控制基礎(第二版)（簡體書）

《普通高等教育機械類國家級特色專業系列規劃教材:機械工程控制基礎(第2版)》講述了控制理論的基本原理及其在機械工程自動控制系統中的應用。全書共11章。第1～8章為經典控制理論部分，主要介紹了自動控制的基本概念、控制系統在時域和頻域中數學模型的建立，分析了單輸入單輸出、線性、時不變系統的穩定性和穩態誤差，闡述了線性控制系統的時域分析法、頻域分析法、根軌跡法及設計校正方法，每章均有工程實例分析；第9章為離散控制系統部分；第10章為現代控制理論基礎部分；第11章為智能控制理論基礎部分。《普通高等教育機械類國家級特色專業系列規劃教材:機械工程控制基礎(第2版)》可作為普通高等院校機械工程及自動化、機械電子工程、機械設計制造及其自動化等專業的教材，也可供相關工程技術人員參考。

這本《普通高等教育機械類國家級特色專業系列規劃教材:機械工程控制基礎(第2版)》由柳洪義、羅忠、宋偉剛、郝麗娜、王菲編著，對原書中的實例做了較大的修改，“工作臺自動控制系統”這個例子貫穿于第1～8章，講述了學習本課程的目的和意義。在第1章緒論中給出了“工作臺自動控制系統”的基本結構和應該實現的自動控制目的和目標，突出了學習本課程的必要性；在第2～8章中通過各章後面的例子讓讀者加深對各章內容的理解，明確各章內容對一個自動控制系統的性能分析或系統設計所起的作用。此外對原書中部分內容的詳略做了調整。

第二版前言第一版前言第1章 緒論1.1 機械工程的發展與控制理論的應用1.2 機械工程自動控制系統的基本結構及工作原理1.2.1 機械裝置產生的自動控制作用1.2.2 工作臺位置自動控制系統1.2.3 工作臺速度自動控制系統1.3 機械自動控制系統的分類1.4 對自動控制系統的基本要求習題第2章 控制系統的數學模型2.1 系統微分方程的建立2.2 非線性數學模型的線性化2.3 拉普拉斯變換2.3.1 復數和復變函數2.3.2 拉普拉斯變換2.3.3 典型時間函數的拉普拉斯變換2.3.4 拉普拉斯變換的基本性質2.3.5 拉普拉斯反變換2.4 傳遞函數2.4.1 傳遞函數的定義2.4.2 典型環節的傳遞函數2.5 系統方框圖和信號流圖2.5.1 系統方框圖的組成2.5.2 環節的基本連接方式2.5.3 方框圖的變換與簡化2.5.4 系統的信號流圖及梅森公式2.6 工作臺位置自動控制系統的數學模型習題第3章 控制系統的時域分析法3.1 典型輸入信號3.2 一階系統的時間響應3.2.1 一階系統的單位脈沖響應3.2.2 一階系統的單位階躍響應3.2.3 一階系統的單位斜坡響應3.3 二階系統的時間響應3.3.1 二階系統的單位脈沖響應3.3.2 二階系統的單位階躍響應3.3.3 二階系統的單位斜坡響應3.3.4 二階系統時間響應的性能指標3.3.5 二階系統計算舉例3.4 高階系統的時間響應分析3.5 工作臺自動控制系統的時域分析習題第4章 控制系統的頻域分析法4.1 頻率特性概述4.1.1 頻率特性4.1.2 頻率特性的求法4.1.3 頻率特性的特點和作用4.2 典型環節頻率特性的奈奎斯特圖4.2.1 奈奎斯特圖的概念4.2.2 典型環節的奈奎斯特圖4.3 系統奈奎斯特圖的畫法4.4 典型環節頻率特性的伯德圖4.4.1 伯德圖的概念4.4.2 典型環節的伯德圖4.4.3 繪制系統伯德圖的步驟4.5 頻域性能指標4.6 最小相位系統和非最小相位系統4.7 工作臺自動控制系統的頻域分析習題第5章 控制系統的穩定性5.1 系統穩定性的基本概念及穩定條件5.2 代數穩定性判據5.2.1 赫爾維茨判據5.2.2 勞斯判據5.3 幾何穩定性判據5.3.1 幅角原理5.3.2 奈奎斯特穩定性判據5.3.3 含有積分環節和延時環節系統的穩定性分析5.3.4 根據伯德圖判斷系統的穩定性5.4 系統的相對穩定性5.5 工作臺位置自動控制系統的穩定性分析習題第6章 控制系統的根軌跡分析法6.1 根軌跡與系統特性6.2 根軌跡的幅值條件和相角條件6.3 繪制根軌跡的基本規則6.4 應用MATLAB繪制根軌跡6.4.1 MATLAB基礎6.4.2 應用MATLAB繪制根軌跡6.5 工作臺位置自動控制系統的根軌跡分析習題第7章 控制系統的誤差分析和計算7.1 系統穩態誤差的基本概念7.1.1 系統復域誤差7.1.2 系統時域穩態誤差7.2 系統穩態誤差的計算7.2.1 系統的類型7.2.2 系統的誤差傳遞函數7.2.3 靜態誤差系數7.2.4 用伯德圖確定誤差常數7.2.5 擾動引起的誤差7.3 減小穩態誤差的途徑7.4 動態誤差7.5 工作臺位置自動控制系統的誤差分析習題第8章 控制系統性能校正8.1 概述8.2 系統的性能指標8.3 系統閉環零點、極點的分布與系統性能的關系8.3.1 系統單位階躍輸入響應8.3.2 閉環零點、極點的分布與系統性能的關系8.3.3 利用主導極點估計系統性能指標8.4 并聯校正8.4.1 反饋校正8.4.2 順饋校正8.5 串聯校正8.5.1 伯德定理簡介及應用8.5.2 相位超前校正8.5.3 相位滯後校正8.5.4 相位滯後超前校正8.6 控制器類型8.6.1 比例控制器(P)8.6.2 比例積分控制器(PI)8.6.3 比例微分控制器(PD)8.6.4 比例積分微分控制器(PID)8.6.5 有源相位超前控制器8.6.6 有源相位滯後控制器8.6.7 有源相位滯後超前控制器8.7 按希望特性設計控制器8.7.1 典型Ⅰ系統(二階希望特性系統)8.7.2 典型Ⅱ型系統(三階希望特性系統)8.7.3 按希望特性設計控制器的圖解法8.7.4 按希望特性設計控制器的直接法8.8 工作臺位置自動控制系統的設計習題第9章 離散控制系統9.1 離散控制系統概述9.1.1 計算機控制系統的硬件結構9.1.2 模/數轉換(A/D)9.1.3 數/模轉換(D/A)9.2 Z變換和Z反變換9.2.1 Z變換的定義9.2.2 Z變換的性質9.2.3 Z反變換9.3 離散系統的傳遞函數9.3.1 離散傳遞函數的求法9.3.2 開環系統的脈沖傳遞函數9.3.3 閉環系統的脈沖傳遞函數9.4 離散系統的z域分析9.4.1 離散系統的穩定性分析9.4.2 極點分布與瞬態響應的關系9.4.3 離散系統的穩態誤差9.5 離散系統的校正與設計9.5.1 模擬化設計法9.5.2 離散設計法9.5.3 PID數字控制器習題第10章 現代控制理論基礎10.1 系統狀態空間表達式的建立10.2 系統的傳遞矩陣10.3 線性定常系統狀態方程的解法10.4 線性系統的可控性與可觀測性10.4.1 線性系統的可控性10.4.2 線性系統的可觀測性10.5 系統的狀態反饋與輸出反饋10.6 系統極點的配置10.7 離散系統的狀態空間表達式10.7.1 離散系統狀態空間表達式的建立10.7.2 離散系統的傳遞矩陣10.8 離散狀態方程的解10.9 離散系統的穩定性分析10.10 離散系統的可控性與可觀測性習題第11章 智能控制理論基礎11.1 智能控制的結構理論11.2 學習控制系統11.2.1 學習控制的發展11.2.2 學習控制的基本原理11.2.3 學習控制的應用舉例11.3 模糊控制系統11.3.1 模糊控制的理論基礎11.3.2 模糊控制的基本原理11.3.3 模糊控制的應用舉例11.4 專家控制系統11.4.1 專家控制系統的結構11.4.2 專家系統的類型11.4.3 專家控制系統的應用舉例11.5 人工神經網絡控制系統11.5.1 人工神經元模型11.5.2 人工神經網絡的構成11.5.3 人工神經網絡的學習算法11.5.4 人工神經網絡的應用舉例11.6 仿人智能控制11.6.1 仿人智能控制的基本思想11.6.2 仿人智能控制的原型算法11.6.3 仿人智能控制器設計的基本步驟習題參考文獻

第1章　緒論機械工程自動控制是一門技術科學，它研究自動控制理論的基本原理及其在機械工程中的應用問題。高科技在機械工程中的應用，使機械制造和機械產品本身的自動化和智能化水平不斷提高。現代機械工程要求機械工程師們不但要具有機械結構現代設計方法和制造方法的知識，同時也要具有機械工程自動控制的知識。通過對本書的學習，可以掌握自動控制理論的基本原理及其在現代機械工程中應用的技能。1.1 機械工程的發展與控制理論的應用人類的祖先在制作和使用工具以後，就逐漸開始制作和使用機械了，人類最初使用機械的目的是省力，或者增大人的力量。最古老、最簡單的機械是杠桿，通過杠桿，人可以移動直接用手不能移動的重物。利用自然力（如風車和水車的使用）是人用機械的動力把自己從繁重的體力勞動中解脫出來的開始。蒸汽機和電動機的發明，為機械提供了有效并且使用方便的動力。機械的不斷發展不僅使人類從繁重的體力勞動中解放出來，而且大大地提高了勞動效率和產品質量。人類認識到機械在生產中的重要作用，不斷地改進舊機器和發明新機器來滿足各種各樣不斷增長的需要。在機械工程發展的過程中，人們一直致力于機器的自動化。因為只有自動化的機器才能生產出更多更好的產品，并能進一步地減少人們在生產過程中緊張而繁重的勞動。不斷提高機器的自動化水平，一直是人類追求的目標。雖然在幾百年前，人類就開始運用自動控制的初步原理，但自動控制理論的形成是在20世紀40年代。由于當時軍事技術和工業生產中都出現了許多亟待解決的系統控制問題，要求設計的系統工作穩定、響應迅速，并且精度高。這就需要對系統做深入的理論研究，揭示系統內部運動的規律，即系統性能與系統結構及參數之間的關系。最初所涉及的系統是單變量輸入／輸出、用微分方程及傳遞函數描述的系統，形成的理論稱為經典控制理論。經典控制理論用頻率法、根軌跡法等方法分析和設計系統。在經典控制理論基礎上發展起來的模擬量自動控制系統，至今在許多工業部門仍然占有重要地位。經典控制理論的重要還在于它是現代控制理論的基礎，要掌握現代控制理論首先要學好經典控制理論。隨著現代科學技術的發展，多輸入、多輸出的復雜系統越來越多，如各種數控機床和各種用途的機器人等。經典控制理論已不能滿足解決這類問題的需要，機械工程發展的需要是自動控制理論發展的強大動力。現代控制理論用狀態空間描述系統變量，所建立的狀態空間表達式不僅表達系統輸入、輸出間的關系，而且還描述系統內部狀態變量隨時間的變化規律。現代控制理論在實際工程中的應用需要大量快速的運算，電子技術和計算技術的發展，為現代控制理論的產生和發展提供了在現代化系統中實際應用的技術條件。現代控制理論的基礎部分是線性系統理論，它研究如何建立系統的狀態方程，如何由狀態方程分析系統的響應、穩定性和系統狀態的可觀測性與可控制性，以及如何利用狀態反饋改善系統性能等。現代控制理論的重要部分是最優控制，就是在已知系統的狀態方程、初始條件及某些約束條件下，尋求一個最優控制向量，使系統在此最優控制向量作用下的狀態或輸出滿足某種最優準則。電子計算機及計算方法的迅速發展，使最優控制成為應用越來越廣泛的方法。自適應控制是近十幾年來發展較快的現代控制論分支，它適合被控對象的結構或參數隨環境條件的變化而變化的情況。控制器的參數要能隨環境條件的變化自動進行調節，才能使系統始終滿足某種最優準則。這類系統稱為自適應控制系統。智能控制技術是一個方興未艾的領域。智能控制特別適應實際工程中存在一些無法建立精確數學模型或者根本無法建立系統數學模型及具有強非線性復雜系統的控制問題。雖然它還處于初級階段，但它具有無限的發展空間，是以往的任何控制理論和技術無法比擬的。人類可以把所有的知識以及獲取知識的方法注入智能控制系統，也可以把聰明人的思維方法（對所獲取信息的分析、特性提取、推理、判斷、決策、經驗的獲取、積累與提高等）“教給”智能控制系統。人類的智能在不斷發展，智能控制系統也將不斷地發展。智能控制近年來發展較快，并在實際工程中得到了廣泛應用。無論是現代控制系統還是正在發展的智能控制系統，它們的控制算法都是通過運行在控制計算機中的程序實現的，因此它們屬于數字控制系統。根據經典控制理論建立起來的控制系統屬于模擬量控制系統，因為在這樣的系統中全部是連續的模擬信號和模擬量。模擬量控制系統的控制作用是通過模擬電路來實現的。本書主要講述模擬量控制系統。