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本書是江蘇省高等學(xué)校重點(diǎn)教材，介紹了機(jī)電控制系統(tǒng)的基本原理、基本知識(shí)及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用，具體內(nèi)容包括機(jī)電控制系統(tǒng)的基本概念、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析、根軌跡法、控制系統(tǒng)的頻域分析、控制系統(tǒng)的校正、機(jī)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與實(shí)例等。每章備有知識(shí)要點(diǎn)、例題解析與習(xí)題。本書力求理論聯(lián)系實(shí)際，簡(jiǎn)明易懂，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用。本書可作為普通高等學(xué)校機(jī)械工程類專業(yè)，特別是過程裝備與控制工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化等專業(yè)的本科教材，也可供有關(guān)教師與工程技術(shù)人員參考。

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的日新月異，控制工程學(xué)科交叉和邊緣特性日益凸顯。典型的機(jī)械系統(tǒng)不再單獨(dú)使用，更多的是與電氣、電子裝置結(jié)合在一起，形成機(jī)電控制系統(tǒng)。機(jī)械控制系統(tǒng)的相關(guān)理論與應(yīng)用研究已經(jīng)成為機(jī)械工程領(lǐng)域必不可少的研究與實(shí)踐方向。當(dāng)前國(guó)內(nèi)機(jī)械類專業(yè)的自動(dòng)控制原理課程多是借用自動(dòng)控制或電子專業(yè)教材，其中所研究的系統(tǒng)一般為電子系統(tǒng)，應(yīng)用的數(shù)學(xué)知識(shí)也較深，理論介紹多、實(shí)際應(yīng)用少。這樣對(duì)機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生而言，僅靠教材內(nèi)容的學(xué)習(xí)，很難將控制理論用于解決具體問題。針對(duì)上述問題，本書多以機(jī)械（機(jī)電）控制系統(tǒng)為對(duì)象，將控制理論與過程工業(yè)機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等結(jié)合起來講解，以便學(xué)生學(xué)習(xí)如何分析解決機(jī)械工程領(lǐng)域的實(shí)際問題。本書在涵蓋經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持了以應(yīng)用為重心、以基本概念、原理和方法為主線的原則。本書的特點(diǎn)是：在內(nèi)容編排上力求精練、易于自學(xué)，從點(diǎn)開始、逐步展開，并把重點(diǎn)放在基本概念的建立及基礎(chǔ)理論的闡述上。全書圍繞工程設(shè)計(jì)的基本要求快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性開展系統(tǒng)分析與校正講解；堅(jiān)持系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)觀點(diǎn)，將分析研究的對(duì)象抽象為系統(tǒng)，運(yùn)用控制理論的方法，解決機(jī)械工程中的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)際問題。為適應(yīng)工科專業(yè)的需要，在講述基本理論的過程中，注重聯(lián)系工程實(shí)際，注意培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論解決實(shí)際工程問題的能力。本書介紹了機(jī)械控制系統(tǒng)的基本理論、基本方法及其應(yīng)用。全書共7章：第1章為緒論，介紹機(jī)電控制理論的基本概念和本書結(jié)構(gòu)體系與學(xué)習(xí)方法，第2章介紹控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，第3章介紹控制系統(tǒng)的時(shí)域分析，第4章介紹根軌跡法，第5章介紹控制系統(tǒng)的頻域分析，第6章介紹控制系統(tǒng)的校正，第7章介紹機(jī)械控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與實(shí)例。全書在各章備有知識(shí)要點(diǎn)及習(xí)題，供讀者參考練習(xí)。本書附錄提供了Laplace變換的相關(guān)內(nèi)容，供讀者參考。本書可作為普通高等學(xué)校機(jī)械工程類專業(yè)，特別是過程裝備與控制工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化等專業(yè)的本科教材，也可供相關(guān)教師與工程技術(shù)人員參考。本書由常州大學(xué)張屹、別鋒鋒共同編寫。感謝研究生吳溢凡、張瑩在本書圖表、文字編輯過程中給予的幫助；在本書的編寫過程中，得到了常州大學(xué)*一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)、江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程（二期項(xiàng)目）的支持，在此表示感謝。本書為江蘇省高等學(xué)校重點(diǎn)教材立項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目和常州大學(xué)重點(diǎn)教材資助項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：JJJ21020003），在此一并表示感謝。由于編者水平有限，書中難免存在錯(cuò)誤和疏漏之處，懇請(qǐng)廣大讀者和同行專家批評(píng)指正。

第1章緒論(1)

1.1機(jī)械控制工程的概念(1)

1.1.1控制的基本概念(1)

1.1.2機(jī)械控制系統(tǒng)的基本概念(2)

1.1.3控制理論的發(fā)展概況(2)

1.1.4機(jī)械控制系統(tǒng)的發(fā)展概況(3)

1.2控制系統(tǒng)的分類(4)

1.2.1按輸入量的變化規(guī)律分類(4)

1.2.2按有無反饋分類(5)

1.2.3按傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類(5)

1.2.4按系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述分類(5)

1.2.5按系統(tǒng)輸入輸出數(shù)量分類(6)

1.2.6按閉環(huán)回路的數(shù)目分類(6)

1.3機(jī)械控制系統(tǒng)的基本控制方式(6)

1.3.1開環(huán)控制方式(6)

1.3.2閉環(huán)（反饋）控制方式(7)

1.3.3復(fù)合控制方式(8)

1.4機(jī)械控制系統(tǒng)的組成(8)

1.4.1機(jī)械控制系統(tǒng)的基本組成(8)

1.4.2機(jī)械控制系統(tǒng)中的基本環(huán)節(jié)(9)

1.4.3機(jī)械控制系統(tǒng)中的量(9)

1.5機(jī)械控制系統(tǒng)理論的研究對(duì)象與基本要求(10)

1.5.1機(jī)械控制系統(tǒng)理論的研究對(duì)象與任務(wù)(10)

1.5.2機(jī)械控制系統(tǒng)的基本要求(12)

1.6本書的體系結(jié)構(gòu)(13)

1.7知識(shí)要點(diǎn)(14)

1.7.1機(jī)械工程控制概述(14)

1.7.2控制系統(tǒng)的分類(15)

1.7.3控制系統(tǒng)的組成和基本要求(16)

1.7.4課程性質(zhì)與任務(wù)(18)

1.8例題解析(18)

習(xí)題(20)

第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(24)

2.1控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本概念(24)

2.1.1系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及分類(24)

2.1.2建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的一般方法(25)

2.2控制系統(tǒng)的微分方程(26)

2.2.1列寫微分方程的一般步驟(26)

2.2.2典型系統(tǒng)的微分方程(26)

2.2.3非線性數(shù)學(xué)模型的線性化(30)

2.3控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(31)

2.3.1傳遞函數(shù)的基本概念及主要特點(diǎn)(32)

2.3.2控制系統(tǒng)的特征方程和零、極點(diǎn)(33)

2.3.3典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)(34)

2.4控制系統(tǒng)的方框圖及其化簡(jiǎn)(39)

2.4.1控制系統(tǒng)方框圖的構(gòu)成要素及建立(40)

2.4.2控制系統(tǒng)方框圖的連接方式(43)

2.4.3控制系統(tǒng)方框圖的等效變換與化簡(jiǎn)(45)

2.4.4輸入和干擾同時(shí)作用下的系統(tǒng)傳遞函數(shù)(49)

2.5機(jī)電控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導(dǎo)舉例(51)

2.6數(shù)學(xué)模型的MATLAB語(yǔ)言描述(56)

2.7知識(shí)要點(diǎn)(59)

2.7.1系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與微分方程(59)

2.7.2系統(tǒng)分析的基本數(shù)學(xué)工具傳遞函數(shù)(60)

2.8例題解析(67)

習(xí)題(75)

第3章控制系統(tǒng)的時(shí)域分析(79)

3.1控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)及其性能指標(biāo)(79)

3.1.1時(shí)間響應(yīng)的概念及組成(79)

3.1.2典型輸入信號(hào)(81)

3.1.3控制系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)(84)

3.1.4控制系統(tǒng)時(shí)域分析的基本方法及步驟(85)

3.2一階系統(tǒng)的時(shí)域分析(86)

3.2.1一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(86)

3.2.2一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)(87)

3.2.3一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)(88)

3.2.4一階系統(tǒng)的單位速度響應(yīng)(89)

3.3二階系統(tǒng)的時(shí)域分析(90)

3.3.1二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)(90)

3.3.2單位階躍響應(yīng)下二階系統(tǒng)的時(shí)域性能分析(95)

3.3.3二階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)(102)

3.3.4二階系統(tǒng)的單位速度響應(yīng)(102)

3.4高階系統(tǒng)的時(shí)域分析(104)

3.4.1高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析(104)

3.4.2高階系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)與簡(jiǎn)化(105)

3.5控制系統(tǒng)的時(shí)域穩(wěn)定性分析(108)

3.5.1線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件(108)

3.5.2勞斯（Routh）穩(wěn)定判據(jù)(110)

3.6控制系統(tǒng)誤差時(shí)域分析及計(jì)算(114)

3.6.1系統(tǒng)的誤差與偏差(114)

3.6.2系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與穩(wěn)態(tài)偏差(115)

3.6.3系統(tǒng)的型次與偏差系數(shù)(116)

3.6.4擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差(118)

3.6.5提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的措施(120)

3.7知識(shí)要點(diǎn)(120)

3.7.1控制系統(tǒng)響應(yīng)構(gòu)成與時(shí)域特征(120)

3.7.2控制系統(tǒng)時(shí)域動(dòng)態(tài)性能分析(122)

3.7.3控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性(128)

3.7.4控制系統(tǒng)誤差時(shí)域分析(129)

3.8時(shí)域分析的MATLAB求解(132)

3.9例題解析(139)

習(xí)題(146)

第4章根軌跡法(151)

4.1根軌跡與根軌跡方程(151)

4.1.1根軌跡的基本概念(151)

4.1.2根軌跡方程(153)

4.2根軌跡繪制的基本法則(155)

4.3參數(shù)根軌跡及非最小相位系統(tǒng)(165)

4.3.1參數(shù)根軌跡(165)

4.3.2非最小相位系統(tǒng)的根軌跡(167)

4.4附加開環(huán)零、極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響(168)

4.4.1附加開環(huán)零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響(168)

4.4.2附加開環(huán)極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響(171)

4.4.3增加一對(duì)開環(huán)零、極點(diǎn)對(duì)根軌跡及系統(tǒng)性能的影響(172)

4.5知識(shí)要點(diǎn)(173)

4.5.1根軌跡定義(173)

4.5.2根軌跡的幅值條件和相角條件(173)

4.5.3繪制根軌跡(174)

4.5.4利用根軌跡分析系統(tǒng)的性能(176)

4.6利用MATLAB語(yǔ)言繪制系統(tǒng)的根軌跡圖(177)

4.7例題解析(178)

習(xí)題(186)

第5章控制系統(tǒng)的頻域分析(188)

5.1頻域特性的基本概念(188)

5.1.1頻率特性的定義(189)

5.1.2頻率特性和傳遞函數(shù)的關(guān)系(190)

5.1.3頻率特性的圖形表示方法(191)

5.2典型環(huán)節(jié)及一般系統(tǒng)的頻率特性(194)

5.2.1開環(huán)系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)分解(194)

5.2.2典型環(huán)節(jié)的頻率特性(195)

5.2.3不穩(wěn)定環(huán)節(jié)的頻率特性(202)

5.2.4一般系統(tǒng)Nyquist圖的繪制(203)

5.2.5一般系統(tǒng)Bode圖的繪制(206)

5.2.6最小相位系統(tǒng)和非最小相位系統(tǒng)(208)

5.3控制系統(tǒng)的頻域穩(wěn)定判據(jù)與相對(duì)穩(wěn)定性(209)

5.3.1Nyquist穩(wěn)定判據(jù)(209)

5.3.2Bode穩(wěn)定判據(jù)(213)

5.3.3控制系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性(214)

5.4頻率性能指標(biāo)(216)

5.5利用MATLAB語(yǔ)言分析頻域特性(217)

5.5.1用MATLAB語(yǔ)言作(218)

5.5.2用MATLAB語(yǔ)言作Bode圖(219)

5.5.3Nichols圖(221)

5.6知識(shí)要點(diǎn)(221)

5.6.1頻域特性的基本概念(221)

5.6.2典型環(huán)節(jié)和一般系統(tǒng)的頻率特性(223)

5.6.3頻率特性的性能指標(biāo)(227)

5.6.4控制系統(tǒng)的頻域穩(wěn)定性(228)

5.7例題解析(229)

習(xí)題(236)

第6章控制系統(tǒng)的校正(238)

6.1控制系統(tǒng)校正概述(238)

6.1.1校正的概念(238)

6.1.2校正的方法(238)

6.1.3校正裝置(240)

6.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)與一般原則(241)

6.2.1控制系統(tǒng)時(shí)頻性能指標(biāo)及誤差準(zhǔn)則(241)

6.2.2頻域性能指標(biāo)與時(shí)域性能指標(biāo)的關(guān)系(243)

6.2.3控制系統(tǒng)校正的一般原則(247)

6.2.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法(248)

6.3串聯(lián)校正(249)

6.3.1滯后校正(249)

6.3.2超前校正(258)

6.3.3滯后超前校正(264)

6.4反饋校正(269)

6.4.1反饋的作用(269)

6.4.2反饋校正裝置的設(shè)計(jì)(273)

6.5前饋校正(275)

6.6控制系統(tǒng)的根軌跡法校正(276)

6.6.1串聯(lián)滯后校正(276)

6.6.2串聯(lián)超前校正(279)

6.6.3串聯(lián)滯后超前校正(284)

6.7知識(shí)要點(diǎn)(287)

6.7.1系統(tǒng)校正概述(287)

6.7.2控制系統(tǒng)時(shí)頻性能指標(biāo)及轉(zhuǎn)換關(guān)系(288)

6.7.3系統(tǒng)的無源校正(289)

6.8例題解析(293)

習(xí)題(303)

第7章機(jī)械控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例(306)

7.1機(jī)電控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)(306)

7.1.1機(jī)電控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)要求(306)

7.1.2機(jī)電控制系統(tǒng)的控制方案設(shè)計(jì)(307)

7.2機(jī)電控制系統(tǒng)的元件選擇(310)

7.2.1測(cè)量元件的選擇(311)

7.2.2執(zhí)行電機(jī)的選擇(314)

7.2.3放大裝置的選擇(320)

7.3機(jī)電控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)例(323)

7.3.1機(jī)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論概述(323)

7.3.2機(jī)電控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)的基本流程(324)

7.3.3機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例分析(326)

7.4過程工業(yè)裝備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用(335)

7.4.1熱交換器溫度反饋控制系統(tǒng)(335)

7.4.2單回路過程工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用(337)

7.4.3流體輸送設(shè)備的控制(341)

7.5控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的MATLAB實(shí)現(xiàn)(346)

7.5.1MATLAB概述(346)

7.5.2例題解析(347)

習(xí)題(356)

附錄Laplace變換法(358)

參考文獻(xiàn)(366)

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