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1 绪论 1

1.1 机械控制工程概述 1

1.2 机械系统中信息传递、反馈以及反馈控制 1

1.3 反馈控制系统 3

1.3.1 开环控制与闭环控制 3

1.3.2 闭环控制系统的构成 3

1.4 对控制系统性能的基本要求 4

本章小结 4

习题 5

2 控制系统的数学模型 6

2.1 控制系统的微分方程 6

2.1.1 线性系统与非线性系统 6

2.1.2 线性系统微分方程的列写 7

2.1.3 系统非线性微分方程的线性化 8

2.2 传递函数 9

2.2.1 传递函数的定义 9

2.3 传递函数方块图 10

2.2.2 传递函数的常见形式 10

2.3.1 控制系统的基本联接方式 11

2.3.2 扰动作用下的闭环控制系统 12

2.3.3 方块图的绘制 13

2.3.4 方块图的变换 13

2.3.5 方块图的简化 14

2.4 典型环节的传递函数 15

2.4.1 比例环节 15

2.4.2 惯性环节 16

2.4.3 微分环节 17

2.4.4 积分环节 18

2.4.5 振荡环节 19

2.4.6 延时环节 20

本章小结 21

习题 21

3 控制系统的时域分析 24

3.1 时间响应与典型输入信号 24

3.1.1 时间响应及其组成 24

3.1.2 典型输入信号 25

3.2.1 一阶系统的数学模型 26

3.2 一阶系统的时间响应 26

3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应 27

3.2.3 一阶系统的单位脉冲响应 28

3.3 二阶系统的时间响应 28

3.3.1 二阶系统的数学模型 28

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应 29

3.3.3 二阶系统的单位脉冲响应 30

3.4 高阶系统的时间响应 31

3.4.1 高阶系统的时间响应分析 31

3.5.1 瞬态响应的性能指标 32

3.4.2 高阶系统的简化 32

3.5 控制系统的动态性能指标 32

3.5.2 时间响应的实验方法 36

3.6 控制系统的稳定性 36

3.6.1 稳定性的基本概念 36

3.6.2 线性系统稳定的充要条件 37

3.6.3 Routh-Hurwitz稳定判据 38

3.7 计算机辅助时域分析 42

本章小结 44

习题 45

4 控制系统的频域分析 46

4.1 频率特性的基本概念 46

4.1.1 频率响应 46

4.1.2 频率特性 47

4.1.3 频率特性的求取方法 47

4.1.4 频率特性分析法的特点 49

4.2 频率特性的图形表示方法 50

4.2.1 极坐标图(Nyquist图) 50

4.2.2 对数频率特性图(Bode图) 51

4.2.3 典型环节的频率特性图 52

4.3 控制系统的频率特性图 55

4.3.1 系统的开环频率特性图 55

4.3.2 闭环系统的频率特性图 59

4.3.3 闭环频率特性图与开环频率特性图的对应关系 61

4.4 控制系统稳定性的频域判据 62

4.4.1 幅角原理 62

4.4.2 基于极坐标图的奈魁斯特判据 63

4.4.3 基于Bode图的奈魁斯特判据 66

4.5.2 增益裕量 68

4.5 控制系统的相对稳定性 68

4.5.1 相位裕量 68

4.6 闭环系统性能的频域分析 70

4.6.1 系统动态性能的频域指标 70

4.6.2 系统的频域指标与时域指标之间的关系 71

4.6.3 根据频率特性图分析系统的时域动态性能 73

4.7 计算机辅助频域分析 73

4.7.1 频率特性的极坐标图 73

4.7.2 频率特性的Bode图 74

本章小结 75

习题 76

5 控制系统的误差分析 79

5.1 误差的概念 79

5.2 系统的类型 81

5.3 静态误差 82

5.3.1 静态误差系数和静态误差的计算 82

5.3.2 干扰输入作用下的静态误差 84

5.3.3 复合控制系统的误差分析 86

5.4 动态误差 87

本章小结 89

习题 90

6 控制系统的综合与校正 91

6.1 系统校正概述 91

6.1.1 校正的概念 91

6.1.2 校正的分类 91

6.2 控制系统的串联校正 92

6.2.1 相位超前校正 92

6.2.2 相位滞后校正 94

6.2.3 滞后-超前校正 97

6.2.4 PID校正器 98

6.2.5 三种串联校正的比较 100

6.3 控制系统的并联校正 100

6.3.1 反馈校正 100

6.3.2 顺馈校正 102

本章小结 102

习题 103

7.1 概述 104

7 采样控制系统初步 104

7.2 信号的采样与复原 105

7.2.1 信号的采样 105

7.2.2 信号的复原 106

7.2.3 保持器 106

7.3 z变换 107

7.3.1 z变换的定义 107

7.3.2 z变换的性质 108

7.4 差分方程 110

7.3.3 z反变换 110

7.5 脉冲传递函数 111

7.5.1 脉冲传递函数的定义 111

7.5.2 脉冲传递函数G(z)的求法 111

7.5.3 串联环节的脉冲传递函数 112

7.5.4 并联环节的脉冲传递函数 113

7.5.5 闭环系统的脉冲传递函数 113

7.6 采样控制系统的分析 115

7.6.1 采样控制系统稳定性 115

7.6.2 采样系统的动态性能 117

7.6.3 采样控制系统的稳态性能 118

本章小结 119

习题 121

附录A 拉普拉斯变换 122

附录B z变换 124

附录C MATLAB语言及控制系统分析工具简介 126

C.1 MATLAB语言简介 126

C.1.1 MATLAB语言的基本使用方法 126

C.1.2 MATLAB语言程序设计 127

C.2.2 控制系统模型 129

C.2 控制系统工具箱简介 129

C.2.1 工具箱函数简介 129

C.2.3 控制系统的时域分析 130

C.2.4 控制系统的频域分析 130

C.2.5 控制系统的稳定性分析 131

C.3 SIMULINK简介 131

C.3.1 连接与建模 131

C.3.2 仿真与分析 132

参考文献 134

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