本书讲述了控制理论的基本原理及其在机械工程自动控制系统中的应用。全书共11章：第1～8章为经典控制理论部分，主要介绍了自动控制的基本概念、控制系统在时域和频域中数学模型的建立，分析了单输入单输出、线性、时不变系统的稳定性和稳态误差，阐述了线性控制系统的时域分析法、频域分析法、根轨迹法及设计校正方法，每章均有工程实例分析；第9章为离散控制系统部分；第10章为现代控制理论基础部分；第11章为智能控制理论基础部分。
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第1章 绪论 1
1.1 机械工程的发展与控制理论的应用 1
1.2 机械工程自动控制系统的基本结构及工作原理 2
1.2.1 机械装置产生的自动控制作用 2
1.2.2 工作台位置自动控制系统 3
1.2.3 工作台速度自动控制系统 8
1.2.4 机械自动控制系统的基本结构和基本变量 9
1.3 机械自动控制系统的分类 10
1.4 对自动控制系统的基本要求 11
习题 12
第2章 控制系统的数学模型 17
2.1 系统微分方程的建立 17
2.2 非线性数学模型的线性化 20
2.3 拉普拉斯变换 21
2.3.1 复数和复变函数 22
2.3.2 拉普拉斯变换的意义 23
2.3.3 典型时间函数的拉普拉斯变换 23
2.3.4 拉普拉斯变换的基本性质 25
2.3.5 拉普拉斯反变换 27
2.4 传递函数 29
2.4.1 传递函数的定义 29
2.4.2 典型环节的传递函数 30
2.5 系统方框图和信号流图 34
2.5.1 系统方框图的组成 34
2.5.2 环节的基本连接方式 34
2.5.3 方框图的变换与简化 36
2.5.4 系统的信号流图及梅森公式 38
2.6 工作台位置自动控制系统的数学模型 42
习题 44
第3章 控制系统的时域分析法 51
3.1 典型输入信号 51
3.2 一阶系统的时间响应 52
3.2.1 一阶系统的单位脉冲响应 53
3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应 53
3.2.3 一阶系统的单位斜坡响应 54
3.3 二阶系统的时间响应 54
3.3.1 二阶系统的单位脉冲响应 55
3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应 55
3.3.3 二阶系统的单位斜坡响应 56
3.3.4 二阶系统时间响应的性能指标 57
3.3.5 二阶系统计算举例 60
3.4 高阶系统的时间响应分析 61
3.5 工作台位置自动控制系统的时域分析 62
习题 64
第4章 控制系统的频域分析法 68
4.1 频率特性概述 68
4.1.1 频率特性的基本概念 68
4.1.2 频率特性的求法 69
4.1.3 频率特性的特点和作用 71
4.2 典型环节频率特性的奈奎斯特图 72
4.2.1 奈奎斯特图的概念 72
4.2.2 典型环节的奈奎斯特图 72
4.3 系统奈奎斯特图的画法 76
4.4 典型环节频率特性的伯德图 78
4.4.1 伯德图的概念 78
4.4.2 典型环节的伯德图 79
4.4.3 绘制系统伯德图的步骤 84
4.5 频域性能指标 85
4.6 最小相位系统和非最小相位系统 86
4.7 工作台位置自动控制系统的频域分析 87
习题 89
第5章 控制系统的稳定性 93
5.1 系统稳定性的基本概念及稳定条件93
5.2 代数稳定性判据 94
5.2.1 赫尔维茨判据 95
5.2.2 劳斯判据 96
5.3 几何稳定性判据 101
5.3.1 幅角原理 101
5.3.2 奈奎斯特稳定性判据 102
5.3.3 含有积分环节和延时环节系统的稳定性分析 104
5.3.4 根据伯德图判断系统的稳定性 106
5.4 系统的相对稳定性 108
5.5 工作台位置自动控制系统的稳定性分析 111
习题 112
第6章 控制系统的根轨迹分析法 115
6.1 根轨迹与系统特性 115
6.2 根轨迹的幅值条件和相角条件 116
6.3 绘制根轨迹的基本规则 117
6.4 基于MATLAB的根轨迹绘制方法 122
6.4.1 MATLAB基础 122
6.4.2 应用MATLAB绘制根轨迹 124
6.5 工作台位置自动控制系统的根轨迹分析 127
习题 129
第7章 控制系统的误差分析和计算 131
7.1 系统稳态误差的基本概念 131
7.1.1 偏差和误差 131
7.1.2 稳态误差 132
7.2 系统稳态误差的计算 132
7.2.1 系统的类型 132
7.2.2 系统的误差传递函数 133
7.2.3 静态误差系数 134
7.2.4 用伯德图确定误差系数 137
7.2.5 扰动引起的误差 139
7.3 减小稳态误差的途径 140
7.4 动态误差系数 142
7.5 工作台位置自动控制系统的误差分析 143
习题 143
第8章 控制系统性能校正 148
8.1 概述 148
8.2 系统的性能指标 149
8.3 基于闭环零点、极点分布情况分析系统性能 150
8.3.1 系统单位阶跃输入响应 150
8.3.2 闭环零点、极点的分布与系统性能的关系 151
8.3.3 利用主导极点估计系统性能指标 151
8.4 并联校正 152
8.4.1 反馈校正 152
8.4.2 顺馈校正 153
8.5 串联校正 154
8.5.1 伯德定理简介及应用 154
8.5.2 相位超前校正 155
8.5.3 相位滞后校正 158
8.5.4 相位滞后超前校正 161
8.6 控制器类型 163
8.6.1 比例控制器(P) 163
8.6.2 比例积分控制器(PI) 163
8.6.3 比例微分控制器(PD) 164
8.6.4 比例积分微分控制器
(PID) 164
8.6.5 有源相位超前控制器 166
8.6.6 有源相位滞后控制器 166
8.6.7 有源相位滞后超前控制器 167
8.7 按希望特性设计控制器 167
8.7.1 典型Ⅰ型系统(二阶希望特性系统) 167
8.7.2 典型Ⅱ型系统(三阶希望特性系统) 169
8.7.3 按希望特性设计控制器的图解法171
8.7.4 按希望特性设计控制器的直接法173
8.8 工作台位置自动控制系统的设计175
习题 176
第9章 离散控制系统 182
9.1 概述 182
9.1.1 离散控制系统的硬件结构 182
9.1.2 模/数转换(A/D) 183
9.1.3 数/模转换(D/A) 183
9.2 犣变换和犣反变换 184
9.2.1 犣变换的定义 184
9.2.2 犣变换的性质 186
9.2.3 犣反变换 186
9.3 离散系统的传递函数 187
9.3.1 离散传递函数的求法 187
9.3.2 开环系统的脉冲传递函数 189
9.3.3 闭环系统的脉冲传递函数189
9.4 离散系统的狕域分析 190
9.4.1 离散系统的稳定性分析 190
9.4.2 极点分布与瞬态响应的关系 192
9.4.3 离散系统的稳态误差 193
9.5 离散系统的校正与设计 193
9.5.1 模拟化设计法 194
9.5.2 离散设计法 194
9.5.3 PID数字控制器 195
习题 197
第10章 现代控制理论基础 199
10.1 系统状态空间表达式的建立 199
10.2 系统的传递矩阵 202
10.3 线性定常系统状态方程的解法 203
10.4 线性系统的可控性与可观测性 206
10.4.1 线性系统的可控性 206
10.4.2 线性系统的可观测性 207
10.5 系统的状态反馈与输出反馈 208
10.6 系统极点的配置 209
10.7 离散系统的状态空间表达式 210
10.7.1 离散系统状态空间表达式的建立 210
10.7.2 离散系统的传递矩阵 213
10.8 离散状态方程的解 213
10.9 离散系统的稳定性分析 215
10.10 离散系统的可控性与可观测性 215
习题 217
第11章 智能控制理论基础 219
11.1 智能控制的结构理论 219
11.2 学习控制系统 220
11.2.1 学习控制的发展 220
11.2.2 学习控制的基本原理 220
11.2.3 学习控制的应用举例 222
11.3 模糊控制系统 224
11.3.1 模糊控制的理论基础 224
11.3.2 模糊控制的基本原理 225
11.3.3 模糊控制的应用举例 228
11.4 专家控制系统 233
11.4.1 专家控制系统的结构 233
11.4.2 专家系统的类型 234
11.4.3 专家控制系统的应用举例 234
11.5 人工神经网络控制系统 237
11.5.1 人工神经元模型 237
11.5.2 人工神经网络的构成 238
11.5.3 人工神经网络的学习算法 238
11.5.4 人工神经网络的应用举例 241
11.6 仿人智能控制 242
11.6.1 仿人智能控制的基本思想 243
11.6.2 仿人智能控制的原型算法 243
11.6.3 仿人智能控制器设计的基本步骤244
习题 245
参考文献 246
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