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第1章 绪论1

1.1 机电控制系统的工作原理及其组成1

1.1.1 机电控制系统概述1

1.1.2 机电控制系统的应用实例3

1.1.3 机电控制系统的组成和相关信号6

1.2 机电控制系统的基本要求7

1.3 机电控制系统的分类8

1.4 机电控制理论的发展历史和发展方向10

1.4.1 经典控制理论的发展10

1.4.2 现代控制理论的发展现状10

1.4.3 机电一体化设备的发展方向11

习题11

第2章 控制系统的数学模型14

2.1 时域中的数学模型——控制系统的微分方程14

2.1.1 机电控制工程的几个基本理论14

2.1.2 建立控制系统的微分方程17

2.2 非线性数学模型的线性化20

2.3 拉氏变换与反变换22

2.3.1 拉氏变换与反变换的定义22

2.3.2 几种典型函数的拉氏变换23

2.3.3 拉氏变换的主要定理27

2.3.4 拉氏变换与反变换的应用29

2.4 传递函数34

2.4.1 传递函数的概念和定义34

2.4.2 传递函数的特征方程及零点和极点35

2.4.3 传递函数的性质和有关说明36

2.4.4 几种典型环节的传递函数36

2.5 传递函数的方框图及其运算46

2.5.1 方框图的符号及含义46

2.5.2 系统方框图的绘制47

2.5.3 方框图的等效变换49

2.5.4 信号流图53

2.5.5 梅逊公式60

2.5.6 多输入作用下控制系统的传递函数62

习题65

第3章 控制系统的时域分析71

3.1 典型输入信号与系统性能指标71

3.1.1 典型输入信号71

3.1.2 过渡过程与稳态过程72

3.1.3 控制系统的时域性能指标72

3.2 一阶系统的时间响应74

3.2.1 一阶系统的数学模型74

3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应74

3.2.3 一阶系统的单位斜坡响应75

3.2.4 一阶系统的单位脉冲响应76

3.2.5 一阶系统的三种响应之间的关系77

3.3 二阶系统的时间响应77

3.3.1 二阶系统的数学模型77

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应79

3.3.3 二阶系统响应的性能指标82

3.4 高阶系统的时间响应87

3.4.1 高阶系统的数学模型87

3.4.2 高阶系统的单位阶跃响应87

习题88

第4章 线性系统的频域分析法91

4.1 频率特性91

4.1.1 频率特性的基本概念与定义91

4.1.2 关于频率特性的几个结论93

4.1.3 频率特性的求取94

4.2 频率特性的图示法94

4.3 典型环节的频率特性96

4.3.1 比例环节96

4.3.2 积分环节97

4.3.3 纯微分环节98

4.3.4 惯性环节99

4.3.5 一阶微分环节100

4.3.6 振荡环节101

4.3.7 二阶微分环节103

4.3.8 延迟环节104

4.4 控制系统的开环频率特性105

4.4.1 开环奈氏图的绘制105

4.4.2 开环Bode图107

4.4.3 最小相位系统109

4.4.4 由Bode图估算最小相位系统的传递函数110

习题113

第5章 控制系统的稳定性分析119

5.1 稳定性的基本概念119

5.1.1 稳定性的定义119

5.1.2 系统稳定的基本条件119

5.2 劳斯稳定判据121

5.2.1 判定系统稳定的必要条件121

5.2.2 劳斯稳定判据121

5.2.3 一阶至四阶系统的劳斯稳定判定123

5.2.4 劳斯稳定判据的特殊情况124

5.2.5 稳定裕度125

5.3 奈奎斯特稳定判据126

5.3.1 辅助函数的构造127

5.3.2 幅角原理127

5.3.3 奈奎斯特图判定法129

5.3.4 奈奎斯特判据举例131

5.4 对数稳定判据133

5.4.1 系统开环Bode图与开环奈氏图的对应关系133

5.4.2 对数Bode图稳定判据的描述134

5.4.3 系统的相对稳定性——稳定裕度的计算134

习题137

第6章 控制系统的准确性分析140

6.1 系统元件参数变化对闭环系统性能的影响140

6.1.1 灵敏度的基本概念140

6.1.2 闭环系统对灵敏度的影响140

6.1.3 应用举例141

6.2 控制系统的时域性能指标与频域性能指标的关系143

6.2.1 时域性能指标回顾143

6.2.2 频域性能指标及其与时域性能指标的关系143

6.2.3 开环对数频率特性与时域性能指标的关系146

6.3 控制系统的误差分析和计算148

6.3.1 偏差、误差和稳态误差148

6.3.2 输入作用下的稳态误差149

6.3.3 干扰作用下的稳态误差152

6.3.4 提高系统稳态精度的措施154

习题156

第7章 控制系统的校正设计158

7.1 校正设计概述158

7.2 校正装置及其特性159

7.2.1 无源校正装置159

7.2.2 有源校正装置164

7.3 控制系统的串联校正169

7.3.1 分析法的超前校正步骤169

7.3.2 分析法的滞后校正步骤171

7.3.3 希望特性法的串联校正173

7.4 控制系统的并联校正174

7.4.1 反馈校正对系统品质的影响174

7.4.2 局部反馈的校正方法175

7.4.3 反馈校正的近似法分析176

习题178

第8章 控制系统的工程设计180

8.1 控制系统工程设计概述180

8.2 典型系统的特性180

8.2.1 典型Ⅰ型系统181

8.2.2 典型Ⅱ型系统183

8.2.3 典型Ⅰ型和Ⅱ型系统跟随性能的比较187

8.3 工程设计的基本原则187

8.3.1 非典型系统简化为典型系统的近似条件187

8.3.2 利用典型系统预期特性进行工程设计的一般步骤195

习题196

第9章 机电控制系统应用举例197

9.1 晶闸管交流调压位置随动系统197

9.1.1 晶闸管交流调压位置随动系统的工作原理197

9.1.2 晶闸管交流调压位置随动系统的数学模型201

9.2 水位控制系统202

9.2.1 系统组成202

9.2.2 系统工作原理分析203

9.3 发动机离心调速系统203

9.3.1 液压阀控液压缸和液压阻尼器203

9.3.2 发动机离心调速系统204

习题206

第10章 控制系统的计算机辅助分析与设计210

10.1 MATLAB入门210

10.1.1 MATLAB简介210

10.1.2 MATLAB入门211

10.2 控制系统的数学模型215

10.2.1 传递函数模型215

10.2.2 零极点模型217

10.2.3 模型之间的转换217

10.3 控制系统的性能分析218

10.3.1 控制系统的稳定性分析218

10.3.2 时域响应分析221

10.3.3 频率响应分析223

10.4 控制系统的校正设计228

习题233

附录A234

附录B253

参考文献255