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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

1.3 机械自动控制系统的分类9

1.4 对自动控制系统的基本要求10

习题10

第2章 控制系统的数学模型15

2.1 系统微分方程的建立15

2.2 非线性数学模型的线性化18

2.3 拉普拉斯变换20

2.3.1 复数和复变函数20

2.3.2 拉普拉斯变换21

2.3.3 典型时间函数的拉普拉斯变换21

2.3.4 拉普拉斯变换的基本性质23

2.3.5 拉普拉斯反变换26

2.4 传递函数28

2.4.1 传递函数的定义28

2.4.2 典型环节的传递函数29

2.5 系统方框图和信号流图33

2.5.1 系统方框图的组成33

2.5.2 环节的基本连接方式33

2.5.3 方框图的变换与简化35

2.5.4 系统的信号流图及梅森公式37

2.6 工作台位置自动控制系统的数学模型41

习题44

第3章 控制系统的时域分析法50

3.1 典型输入信号50

3.2 一阶系统的时间响应51

3.2.1 一阶系统的单位脉冲响应52

3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应52

3.2.3 一阶系统的单位斜坡响应53

3.3 二阶系统的时间响应53

3.3.1 二阶系统的单位脉冲响应54

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56

3.3.5 二阶系统计算举例59

3.4 高阶系统的时间响应分析60

3.5 工作台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67

4.1 频率特性概述67

4.1.1 频率特性67

4.1.2 频率特性的求法68

4.1.3 频率特性的特点和作用70

4.2 典型环节频率特性的奈奎斯特图71

4.2.1 奈奎斯特图的概念71

4.2.2 典型环节的奈奎斯特图71

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86

4.5 频域性能指标87

4.6 最小相位系统和非最小相位系统88

4.7 工作台自动控制系统的频域分析90

习题91

第5章 控制系统的稳定性94

5.1 系统稳定性的基本概念及稳定条件94

5.2 代数稳定性判据95

5.2.1 赫尔维茨判据95

5.2.2 劳斯判据97

5.3 几何稳定性判据102

5.3.1 幅角原理102

5.3.2 奈奎斯特稳定性判据103

5.3.3 含有积分环节和延时环节系统的稳定性分析105

5.3.4 根据伯德图判断系统的稳定性107

5.4 系统的相对稳定性110

5.5 工作台位置自动控制系统的稳定性分析112

习题113

第6章 控制系统的根轨迹分析法116

6.1 根轨迹与系统特性116

6.2 根轨迹的幅值条件和相角条件117

6.3 绘制根轨迹的基本规则118

6.4 应用MATLAB绘制根轨迹124

6.4.1 MATLAB基础124

6.4.2 应用MATLAB绘制根轨迹125

6.5 工作台位置自动控制系统的根轨迹分析130

习题132

第7章 控制系统的误差分析和计算133

7.1 系统稳态误差的基本概念133

7.1.1 系统复域误差133

7.1.2 系统时域稳态误差134

7.2 系统稳态误差的计算134

7.2.1 系统的类型134

7.2.2 系统的误差传递函数135

7.2.3 静态误差系数135

7.2.4 用伯德图确定误差常数139

7.2.5 扰动引起的误差141

7.3 减小稳态误差的途径143

7.4 动态误差144

7.5 工作台位置自动控制系统的误差分析145

习题146

第8章 控制系统性能校正149

8.1 概述149

8.2 系统的性能指标150

8.3 系统闭环零点、极点的分布与系统性能的关系151

8.3.1 系统单位阶跃输入响应151

8.3.2 闭环零点、极点的分布与系统性能的关系152

8.3.3 利用主导极点估计系统性能指标152

8.4 并联校正154

8.4.1 反馈校正154

8.4.2 顺馈校正155

8.5 串联校正155

8.5.1 伯德定理简介及应用156

8.5.2 相位超前校正156

8.5.3 相位滞后校正160

8 5 4 相位滞后-超前校正162

8.6 控制器类型164

8.6.1 比例控制器（P）165

8.6.2 比例积分控制器（PI）165

8.6.3 比例微分控制器（PD）165

8.6.4 比例积分微分控制器（PID）166

8.6.5 有源相位超前控制器168

8.6.6 有源相位滞后控制器168

8.6.7 有源相位滞后超前控制器169

8.7 按希望特性设计控制器169

8.7.1 典型Ⅰ系统（二阶希望特性系统）169

8.7.2 典型Ⅱ型系统（三阶希望特性系统）172

8.7.3 按希望特性设计控制器的图解法174

8.7.4 按希望特性设计控制器的直接法176

8.8 工作台位置自动控制系统的设计178

习题179

第9章 离散控制系统184

9.1 离散控制系统概述184

9.1.1 计算机控制系统的硬件结构184

9.1.2 模／数转换（A/D）185

9.1.3 数／模转换（D/A）185

9.2 Z变换和Z反变换186

9.2.1 Z变换的定义186

9.2.2 Z变换的性质188

9.2.3 Z反变换188

9.3 离散系统的传递函数189

9.3.1 离散传递函数的求法190

9.3.2 开环系统的脉冲传递函数191

9.3.3 闭环系统的脉冲传递函数192

9.4 离散系统的z域分析192

9.4.1 离散系统的稳定性分析192

9.4.2 极点分布与瞬态响应的关系194

9.4.3 离散系统的稳态误差195

9.5 离散系统的校正与设计196

9.5.1 模拟化设计法196

9.5.2 离散设计法197

9.5.3 PID数字控制器198

习题200

第10章 现代控制理论基础202

10.1 系统状态空间表达式的建立202

10.2 系统的传递矩阵205

10.3 线性定常系统状态方程的解法206

10.4 线性系统的可控性与可观测性209

10.4.1 线性系统的可控性209

10.4.2 线性系统的可观测性211

10.5 系统的状态反馈与输出反馈212

10.6 系统极点的配置213

10.7 离散系统的状态空间表达式214

10.7.1 离散系统状态空间表达式的建立214

10.7.2 离散系统的传递矩阵217

10.8 离散状态方程的解217

10.9 离散系统的稳定性分析219

10.10 离散系统的可控性与可观测性219

习题221

第11章 智能控制理论基础223

11.1 智能控制的结构理论223

11.2 学习控制系统224

11.2.1 学习控制的发展224

11.2.2 学习控制的基本原理224

11.2.3 学习控制的应用举例226

11.3 模糊控制系统228

11.3.1 模糊控制的理论基础228

11.3.2 模糊控制的基本原理229

11.3.3 模糊控制的应用举例232

11.4 专家控制系统237

11.4.1 专家控制系统的结构237

11.4.2 专家系统的类型238

11.4.3 专家控制系统的应用举例238

11.5 人工神经网络控制系统240

11.5.1 人工神经元模型241

11.5.2 人工神经网络的构成242

11.5.3 人工神经网络的学习算法243

11.5.4 人工神经网络的应用举例245

11.6 仿人智能控制247

11.6.1 仿人智能控制的基本思想247

11.6.2 仿人智能控制的原型算法248

11.6.3 仿人智能控制器设计的基本步骤248

习题249

参考文献250