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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