1.2机械工程自动控制系统的基本结构及工作原理
机械工程自动控制系统是一种自动控制系统，它的控制对象是机械，而不是专门通过机械装置产生控制作用的系统。在机械自动控制系统的初级阶段或简单的机械自动控制系统中，常用机械装置产生自动控制作用，但是由于电子技术的发展促进了传感技术和计算技术的发展，逐渐地用电子器件组成的电气装置代替机械装置来产生自动控制作用。下面最先介绍由机械装置产生控制作用的系统结构及其自动控制原理，然后通过一个典型例子介绍由电气装置产生控制作用的系统结构及其自动控制原理。
1.2.1机械装置产生的自动控制作用
图1.1所示的蒸汽机转速控制系统中，控制的目的是使蒸汽机的转速狀保持为一个恒定数值，这个恒定数值称为控制系统的目标值，转速称为控制系统的被控量或控制量。如果给蒸汽机通入额定的蒸汽流量Q，负载为额定负载不变，又没有其他干扰，则蒸汽机的转速为额定转速狀，即目标值。但在负载变化的情况下，蒸汽机的转速必然跟着变化。为了控制系统的被控量狀，保持转速为目标值，采用离心机构检测被控量。离心机构连接小球的连杆张开角度的大小取决于小球离心作用的大小，蒸汽机的转速越高，小球离心作用越大，所产生的张开角度越大，所以离心机构称为控制系统的检测装置。检测被控量的检测装置是自动控制系统必须有的部分。
如果负载增大，转速降低，使离心机构连接小球的连杆的张开角度变小，离心机构下部的滑块位置向下移动，通过由杠杆构成的转换机构增加阀门打开的程度，从而加大蒸汽量，提高蒸汽机的转速;如果负载减小，转速提高，增大了小球连杆的张开角度，使离心机构下部的滑块位置向上移动，通过转换机构减小阀门的开度，从而减小蒸汽量，降低蒸汽机的转速。显然，这里的速度检测装置是由机械装置构成的，为保持速度恒定的调节机构也是由机械装置构成的。
图1.2所示的水位自动控制系统中，控制的目的是使水位保持在^^定的高度上。水位高度是被控量。水位高度是通过浮球装置检测的，所以浮球装置是该系统的检测装置。浮球随水面高度的上升或下降通过杠杆转换成阀门的开闭程度。
通过以上两个用机械装置产生自动控制作用的例子可以看出自动控制系统自动调节的基本原理。同时通过分析也可以看到，用机械装置自动调节作用的调节范围、精度和可靠性都是很有限的。随着科学技术的发展，机械系统变得越来越复杂，以机构作为自动控制系统的调节装置已不能满足对系统越来越高的要求。电子学和电子技术的发展，使自动控制系统的检测手段和控制方法产生了巨大的变革。原来用机械的方法构成的检测装置改用各种电子元器件构成的传感器。现代传感器不但体积小、重量轻、精度高，而且大大地增加了使用寿命和可靠性。与机械调节装置相比，由电子元器件构成的控制器以及放大器能完成复杂得多、先进得多的控制功能。在现代机械工程自动控制系统中，总是把机械与电子融合在一起，构成机电一体化系统。因此对机械工程自动控制系统进行性能分析和设计时，必须把机械系统和电子控制系统作为统一的整体来考虑。下面通过一个典型例子说明用电子设备构成控制系统的机械自动控制系统的基本组成、基本结构、工作原理和一些基本定义。这个例子在以后的七章中都将作为学习该章内容的实际案例。有了这个案例，就会明确学习自动控制理论的具体意义。
1.2.2工作台位置自动控制系统
图1.3所示为一个工作台的位置自动控制系统。系统的控制功能是:操作者（人）通过指令电位器设置希望的工作台位置，工作台将自动运动到操作者所指定的位置上去。如果这个系统是一个性能良好的自动控制系统，工作台的运动是稳定、快速和准确的;如果这个系统是一个性能差的自动控制系统，工作台的运动可能是不稳定的，比如工作台在指定位置附近来回振动，或者可能运动速度缓慢，或者不能准确地运动到指定位置。问题是：如何才能获得性能良好的自动控制系统呢？大体上要解决两大方面的问题:高水平的设计和精心的制造。在高水平的设计中，特别强调的是，要根据对系统动态特性的要求对机械系统进行动力学设计，并根据自动控制理论对控制系统进行多次设计至仿真、仿真至设计的过程，力求使整个系统达到最佳状态。这就需要掌握自动控制方面的知识，也就是学习本课程的目的。当然，高水平设计还包括采用各种现代设计方法，特别是闻邦椿院士提出的“三化”动态优化、智能化和可视化）设计法对提高系统整体设计水平和产品质量具有重要的指导意义。此外，选择先进的、具有足够精度和高可靠性的元器件，较高的性能价格比，友好的人机界面以及赏心悦目的造型等都是要反复考虑的。
如图1.3所示，系统的驱动装置是直流伺服电动机，它是将电能转换成机械运动的转换装置，是连接电和机的纽带。功率放大器提供给直流伺服电动机定子的直流电压为一定值，形成一个恒定的定子磁场，定子也可以由永久磁铁制成。电动机的转子电枢接受功率放大器提供的直流电，此直流电的电压决定电动机的转速，电流的大小与电动机输出的扭矩成正比。
工作台的传动系统由减速器、滚珠丝杠和导轨等组成。减速器起放大电动机输出扭矩的作用。伺服系统中常用的有行星轮减速器和谐波减速器等。行星轮减速器有背隙，改变转动方向时电动机有空回程，小背隙高精度的行星轮减速器价格较高。谐波减速器无背隙，但价格高，使用寿命较低。滚珠丝杠和导轨（图1.4）是将电动机的转动精确地转换成直线运动的装置。丝杠与减速器输出轴相连，滚珠丝杠的螺母与工作台相连。直流伺服电动机经减速器驱动滚珠丝杠转动，工作台在滚珠丝杠的带动下在导轨上滑动。滚珠丝杠较普通丝杠的优点不仅精度高，而且无回程间隙，有专门厂家生产，可以根据需要提供图纸订货。同样，导轨可以根据需要选型订货。
此工作台位置自动控制系统的控制量显然是工作台的位置。和任何其他机械自动控制系统一样，系统拥有输入控制量和检测系统输出量的环节——指令电位器和检测电位器。电位器按其结构形式可分成转动电位器和直线电位器，本系统中使用的电位器均为直线电位器。
操作者通过指令电位器将指令输入给系统。在本系统中，操作者通过指令电位器指定工作台运动目的位置，指令电位器将操作者指定的位置转化成相应的电压信号输出。检测电位器用来检测工作台的实际位置，将工作台的实际位置转化成电压信号输出。
在指令电位器面板上应有控制量刻度，刻度要与控制量相对应。例如，工作台的位置范围是0～1.5m，在指令电位器面板的全量程上可以均勻地刻上15个小格，每个小格代表0.1m，并在对应的刻度线上标注数字0，0.1，0.2，0.3， ，1.5，如图1.5所示。电位器的3个引脚中，1个是直流稳压电源输人端，将它与电源高电位相连;1个公共端，即接地端;1个电压信号输出端，电路接法如图1.5所示。设电源电压是15V，为恒压电源，则刻度板上的每个小格对应1V电压。指令电位器的指针与电压信号输出端相连，这样，指针指到0时，输出端电压为0;指针指到1.5时，输出端电压为15V。如果操作者把指令电位器的指针指到刻度为1.0的位置，就代表让工作台运动到1.0m的位置上，这时指令电位器的输出端电压为10V，如图1.5所示。操作者就这样把工作台的位置指令输人给了控制系统，因此在本例中指令电位器为人机界面。指令电位器是把位置指令转换成电

目录
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 *小相位系统和非*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