機械控製工程基礎（第2版） pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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玄兆燕 編

圖書標籤:

• 機械控製
• 控製工程
• 自動化
• 機械工程
• 電氣工程
• 係統控製
• 反饋控製
• 現代控製
• 控製原理
• 電機控製

齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121288852

版次：2

商品編碼：11965349

包裝：平裝

叢書名： 普通高等教育

開本：16開

齣版時間：2016-08-01

用紙：膠版紙

頁數：300

字數：480000

正文語種：中文

編輯推薦

適讀人群 ：本書可作為高等學校機械設計製造及自動化、機電一體化等專業本科生和專科生的教材，也可供有關教師與工程技術人員作為參考書。

高等教材修訂版作品。難易適度，偏重應用。配有PPT課件等教學資源。

內容簡介

本書主要講述機械工程控製的基本原理和基本知識，內容包括：控製工程的發展史、控製工程的研究對象和任務、控製係統的組成和實例；拉普拉斯變換；係統數學模型的建立；係統的時域和頻域分析；根軌跡；係統穩定性分析；係統校正；綫性離散係統以及MATLAB在控製工程中的應用。

作者簡介

玄兆燕，教授,主要從事 自動控製方嚮教學與科研。主要作品有：《自己動手編製Visual FoxPro程序》中國水利水電齣版社，2002年1月；《機械工程控製基礎》 電子工業齣版社，2006年8月。

目錄

第1章 緒論 （1）
1．1 引言 （1）
1．1．1 控製工程發展史 （1）
1．1．2 機械控製工程的研究對象與任務 （2）
1．2 控製係統簡介 （3）
1．2．1 控製係統的分類 （3）
1．2．2 閉環控製係統的組成 （6）
1．2．3 對控製係統的基本要求 （7）
本章小結 （7）
習題1 （8）
第2章 拉普拉斯變換 （9）
2．1 復變量與復變函數 （10）
2．1．1 復變量 （10）
2．1．2 復變函數 （10）
2．1．3 歐拉公式 （10）
2．2 拉氏變換的概念 （11）
2．2．1 問題的提齣 （11）
2．2．2 拉氏變換的存在定理 （12）
2．3 拉氏變換的性質 （18）
2．3．1 綫性性質 （18）
2．3．2 微分性質 （19）
2．3．3 積分性質 （21）
2．3．4 位移性質 （22）
2．3．5 延遲性質 （22）
2．3．6 尺度變換 （23）
2．3．7 初值定理、終值定理 （24）
2．4 拉氏逆變換 （26）
2．5 捲積 （31）
2．5．1 捲積的概念 （31）
2．5．2 捲積定理 （32）
本章小結 （36）
習題2 （36）
第3章 係統的數學模型 （39）
3．1 係統的微分方程 （40）
3．1．1 建立微分方程的基本步驟 （40）
3．1．2 機械係統的微分方程 （41）
3．1．3 電氣係統的微分方程 （44）
3．1．4 機電係統的微分方程 （46）
3．1．5 係統的相似性 （49）
3．2 係統的傳遞函數 （50）
3．2．1 傳遞函數的基本概念 （50）
3．2．2 傳遞函數的零點、極點和放大係數 （51）
3．2．3 典型環節的傳遞函數 （52）
3．3 係統方框圖及其簡化 （64）
3．3．1 係統傳遞函數的方框圖錶示 （65）
3．3．2 傳遞函數方框圖的簡化 （70）
3．3．3 公式法化簡係統方框圖 （75）
3．4 信號流圖與梅森增益公式 （76）
3．4．1 信號流圖 （76）
3．4．2 梅森增益公式 （78）
3．5 輸入和乾擾同時作用下的係統傳遞函數 （80）
本章小結 （83）
習題3 （84）
第4章 時間響應分析 （89）
4．1 概述 （89）
4．1．1 時間響應及其組成 （90）
4．1．2 典型試驗信號 （90）
4．2 一階係統的時間響應 （92）
4．2．1 一階係統的單位脈衝響應 （92）
4．2．2 一階係統的單位階躍響應 （93）
4．2．3 單位脈衝響應和單位階躍響應的關係 （94）
4．3 二階係統的時間響應 （94）
4．3．1 二階係統標準形式 （94）
4．3．2 二階係統特徵方程的根與阻尼比的關係 （95）
4．3．3 二階係統的單位脈衝響應 （96）
4．3．4 二階係統的單位階躍響應 （98）
4．3．5 二階係統響應的性能指標 （101）
4．4 係統穩態誤差分析 （106）
4．4．1 係統誤差與偏差的關係 （106）
4．4．2 係統的穩態誤差 （107）
4．4．3 靜態誤差係數 （110）
本章小結 （112）
習題4 （113）
第5章 係統頻率響應分析 （115）
5．1 頻率特性概述 （115）
5．1．1 頻率特性的概念 （115）
5．1．2 頻率特性的特點和作用 （118）
5．2 頻率特性的極坐標圖（Nyquist圖） （120）
5．2．1 典型環節的Nyquist圖 （120）
5．2．2 Nyquist圖的一般繪製方法 （124）
5．3 頻率特性的對數坐標圖（Bode圖） （128）
5．3．1 概述 （128）
5．3．2 典型環節的Bode圖 （129）
5．3．3 Bode圖的一般繪製方法 （134）
5．4 閉環頻率特性 （140）
5．5 最小相位係統與非最小相位係統 （141）
5．6 根據頻率特性麯綫估計係統傳遞函數 （142）
5．6．1 確定放大倍數K （142）
5．6．2 各環節傳遞函數確定 （143）
本章小結 （145）
習題5 （145）
第6章 係統穩定性分析 （147）
6．1 係統穩定的概念和條件 （147）
6．1．1 係統穩定的基本概念 （147）
6．1．2 係統穩定性與特徵根的關係 （148）
6．1．3 係統穩定的充分必要條件 （149）
6．2 勞斯（Routh）穩定判據 （150）
6．2．1 係統穩定的必要條件 （150）
6．2．2 係統穩定的充要條件 （151）
6．2．3 勞斯判據的特殊情況 （153）
6．3 Nyquist穩定判據 （154）
6．3．1 米哈伊洛夫定理 （154）
6．3．2 Nyquist穩定判據的證明 （156）
6．3．3 開環含有積分環節的Nyquist圖 （158）
6．3．4 具有延時環節的係統穩定性分析 （160）
6．3．5 Nyquist穩定判據應用舉例 （161）
6．4 Bode穩定判據 （163）
6．5 係統的相對穩定性 （166）
6．5．1 相位裕度? （166）
6．5．2 幅值裕度Kg （167）
本章小結 （170）
習題6 （170）
第7章 係統校正 （172）
7．1 係統的性能指標 （173）
7．1．1 時域性能指標 （173）
7．1．2 頻域性能指標 （173）
7．2 係統校正 （177）
7．2．1 校正的概念 （177）
7．2．2 校正方式 （177）
7．3 串聯校正 （178）
7．3．1 增益校正 （178）
7．3．2 相位超前校正 （180）
7．3．3 相位滯後校正 （183）
7．3．4 相位滯後－超前校正 （187）
7．4 PID校正 （191）
7．4．1 PID控製規律及其實現 （191）
7．4．2 PID調節器的設計 （195）
7．5 反饋校正 （198）
本章小結 （203）
習題7 （203）
第8章 根軌跡法 （207）
8．1 根軌跡概述 （207）
8．2 繪製根軌跡的基本條件 （210）
8．2．1 繪製根軌跡的幅值條件 （210）
8．2．2 繪製根軌跡的相位條件 （211）
8．3 根軌跡的繪製 （211）
8．3．1 根軌跡的繪製準則 （211）
8．3．2 根軌跡的繪製實例 （213）
本章小結 （217）
習題8 （217）
第9章 綫性離散係統 （219）
9．1 計算機控製係統概述 （220）
9．1．1 計算機控製係統組成 （220）
9．1．2 信號的采樣與采樣定理 （222）
9．2 Z變換 （225）
9．2．1 Z變換的定義 （225）
9．2．2 Z變換的性質 （227）
9．2．3 Z反變換 （229）
9．3 綫性離散係統的數學模型 （232）
9．3．1 綫性離散係統的差分方程 （232）
9．3．2 脈衝傳遞函數 （235）
9．4 綫性離散係統的穩定性分析 （240）
9．4．1 綫性離散係統穩定的充分必要條件 （240）
9．4．2 綫性離散係統的穩定性判據 （242）
9．4．3 綫性離散係統的穩態誤差分析 （244）
9．5 綫性離散係統的校正與設計 （247）
9．5．1 對數頻率特性法校正 （247）
9．5．2 有限拍設計 （251）
9．5．3 數字PID控製 （256）
本章小結 （262）
習題9 （263）
第10章 MATLAB在控製工程中的應用 （266）
10．1 MATLAB簡介 （34）
10．2 用MATLAB進行瞬態響應分析 （267）
10．2．1 綫性係統的MATLAB錶示 （267）
10．2．2 係統單位階躍響應的求法 （268）
10．2．3 係統單位脈衝響應的求法 （268）
10．3 用MATLAB進行頻率響應分析 （269）
10．3．1 用MATLAB作Bode圖 （269）
10．3．2 用MATLAB作Nyquist圖 （271）
10．4 SIMULINK應用 （272）
10．4．1 SIMULINK概述 （272）
10．4．2 啓動SIMULINK工具包 （273）
10．4．3 用SIMULINK創建係統模型 （274）
10．4．4 用SIMULINK進行係統仿真 （277）
本章小結 （278）
附錄A 習題參考答案 （280）
參考文獻 （289）

前言/序言

前 言

隨著現代科學技術的發展，機械與控製已融為一體，控製工程在機械工程領域起著越來越重要的作用，機械控製工程作為機械工程類專業一門重要的專業基礎課，其內容需要不斷地更新調整和擴充新的知識。本書的主要內容包括：緒論；拉普拉斯變換；係統的數學模型；時間響應分析；係統頻率響應分析；係統穩定性分析；係統校正；根軌跡法；綫性離散係統；MATLAB在控製工程中的應用等內容。針對目前本科生的具體情況，試圖將教材內容從深度的擴展轉嚮廣度的擴展。

機械控製工程理論不僅僅是一門很重要的學科，同時它的形成、發展以及對該理論的論述過程本身也體現瞭科學的方法論。為瞭培養學生客觀、理性和實證的科學精神，本書作為機械工程類專業技術基礎課教材，強調基本概念和基本方法，注重一些方法論述的邏輯性和嚴謹性，同時在論述過程中根據工科學生的具體情況盡量避免高深的數學論證，緊密結閤控製與機械工程實際，用機械與電氣實例解釋說明一些基本理論和基本方法，以使其能很好地在數理知識和專業知識之間起到橋梁的作用。

本書主要介紹經典控製理論的基本內容，重點是其中的綫性控製理論及其在控製係統分析中的應用，以及在機械動力係統動態性能分析中的應用。本書的編寫試圖從控製理論的發展史入手，介紹控製理論的基本概念和基本知識；其次闡述時間函數的拉普拉斯變換，在此基礎上介紹係統的數學模型並導齣傳遞函數的模型；然後是一階、二階係統的時間響應分析和頻域分析，係統穩定性分析及係統的校正（包括PID校正），根軌跡，考慮目前計算機技術廣泛應用於控製係統中，本書介紹瞭綫性離散係統的相關內容；最後介紹瞭MATLAB在控製工程中的應用。

本書由華北理工大學玄兆燕主編，西南科技大學硃洪俊、天津理工大學楊秀萍為副主編，華北理工大學吳麗娟、馮茜參編。本書由天津理工大學王收軍主審。編者分工為：第1章、第8章、第10章由玄兆燕執筆；第2章、第3章、第7章由硃洪俊執筆；第4章、第6章由楊秀萍執筆；第5章由吳麗娟執筆；第9章由馮茜執筆，馮茜還負責多媒體課件製作，最後由玄兆燕定稿。

感謝天津理工大學王收軍老師，在審稿過程中提齣瞭許多寶貴的意見；同時感謝華北理工大學的楊文生老師對本教材提齣的寶貴的編寫建議。

限於編者的水平，書中難免會齣現缺點和不足，希望讀者提齣批評建議，我們衷心地錶示感謝！

編 者

2016年4月於華北理工大學

《現代控製理論與工程實踐》 內容簡介： 本書旨在為讀者深入剖析現代控製理論的核心概念，並將其與工程實踐緊密結閤，提供一套係統、全麵且具有前瞻性的學習框架。內容涵蓋瞭從經典控製理論的基石，到先進控製策略的最新發展，再到實際工程應用中的關鍵考量，力求使讀者不僅理解理論的精髓，更能掌握解決復雜工程問題的能力。 第一部分：現代控製理論基石 本部分將係統梳理和闡述現代控製理論的 foundational 概念，為後續深入學習打下堅實基礎。 狀態空間方法： 重點介紹綫性定常係統的時域分析，包括係統的能控性、可觀測性及其判據。深入剖析狀態嚮量的意義，以及如何通過狀態方程來描述和預測係統的動態行為。在此基礎上，將引齣狀態反饋控製、狀態觀測器設計等基本設計原理，並討論其在穩定性和性能提升方麵的作用。 頻率域分析與設計： 迴顧並拓展經典頻率域分析工具，如奈奎斯特圖、波特圖、根軌跡等，並介紹如何利用這些工具來分析係統的穩定性、穩態誤差和動態響應。在此基礎上，引入更先進的頻率域設計方法，例如環整形法、LMI（綫性矩陣不等式）方法在控製器設計中的應用，以及Nyquist-Shanin準則的推廣。 離散時間係統分析： 深入探討離散時間係統的建模、分析與控製器設計。包括Z變換、序列的捲積、離散狀態空間方程的建立與求解，以及離散係統的能控性與可觀測性。在此基礎上，將重點介紹數字PID控製器、零極點配置、模態控製等在離散係統中的實現方式，並分析其在數字信號處理與數字控製係統中的優勢。 穩定性理論： 全麵闡述係統穩定性的不同概念（如Lyapunov穩定性、漸近穩定性、指數穩定性），並重點介紹Lyapunov直接法和間接法在分析非綫性係統穩定性方麵的強大威力。還將探討一些特殊的穩定性情況，如有限時間穩定性、擾動下的穩定性等，並介紹如何通過Lyapunov函數來保證係統的穩定性。 第二部分：先進控製策略與方法 本部分將聚焦於當前控製工程領域前沿的研究方嚮和具有廣泛應用前景的先進控製技術。 最優控製理論： 詳細講解動態規劃、變分法和Pontryagin最大值原理等經典最優控製方法，並重點介紹LQR（綫性二次調節器）和LQG（綫性二次高斯）控製器設計。將深入分析最優控製的數學基礎，以及如何根據性能指標和約束條件來設計最優控製器。 魯棒控製： 強調在係統模型不確定、存在乾擾和噪聲的情況下，如何設計能夠保證係統性能和穩定性的控製器。介紹H-無窮（H∞）控製、μ-綜閤（μ-synthesis）控製等魯棒控製設計方法，並探討其在處理模型不確定性和外部擾動方麵的有效性。 自適應控製： 探討當係統參數發生變化或未知時，如何設計能夠自動調整控製器參數以適應變化的控製策略。詳細介紹模型參考自適應控製（MRAC）、自調整控製（STR）等基本原理和實現方法，並分析其在處理時變係統和未知係統時的優勢。 智能控製： 引入並講解基於神經網絡、模糊邏輯和遺傳算法等智能計算技術在控製係統中的應用。重點介紹模糊邏輯控製器（FLC）、神經網絡控製器（NNC）、以及它們與傳統控製方法相結閤的混閤智能控製技術，並展示其在處理非綫性、強耦閤和復雜係統時的優越性。 模型預測控製（MPC）： 深入闡述MPC的基本原理，包括滾動優化、預測模型、控製算法等。重點講解MPC在處理約束、優化性能和實現多變量協調控製方麵的強大能力，並分析其在流程工業、機器人、航空航天等領域的廣泛應用。 非綫性係統控製： 針對傳統綫性控製方法難以有效處理的非綫性係統，介紹一係列先進的非綫性控製技術，如反饋綫性化、滑模控製、模糊滑模控製、基於Lyapunov函數的非綫性控製器設計等。 第三部分：工程實踐與應用 本部分將理論與實踐相結閤，著重探討控製理論在具體工程領域的應用，以及在實際工程中需要考慮的關鍵因素。 係統辨識： 介紹常用的係統辨識方法，包括參數估計方法（如最小二乘法、最大似然法）和模型結構辨識方法，旨在從實驗數據中構建準確的係統模型，為後續控製器設計提供依據。 控製器實現與硬件平颱： 討論不同類型的控製器（如模擬控製器、數字控製器）的設計與實現，以及各種硬件平颱（如PLC、DCS、嵌入式係統）在控製係統中的選擇與應用。介紹實時操作係統（RTOS）在嵌入式控製係統中的重要性，以及軟硬件協同設計的要求。 工業控製係統（ICS）： 深入介紹工業自動化領域中的關鍵技術和係統架構，包括SCADA（數據采集與監控係統）、DCS（分布式控製係統）和PLC（可編程邏輯控製器）等。分析不同ICS在不同規模和復雜度的工業場景下的適用性。 機器人控製： 重點講解機器人動力學建模、路徑規劃、軌跡跟蹤以及多關節機器人協調控製等關鍵技術。介紹PID控製、力/位置混閤控製、以及基於MPC的機器人控製方法。 航空航天控製： 探討飛機、航天器等航空航天係統在姿態控製、導航製導、飛行控製等方麵的特殊挑戰與控製策略。介紹自適應飛行控製、魯棒導航製導、以及先進的飛行姿態穩定係統。 過程控製： 專注於化工、能源、製藥等流程工業中的控製問題。介紹分布式控製、先進過程控製（APC）、以及模型預測控製在優化生産過程、提高産品質量和保證安全運行方麵的應用。 車輛動力學與控製： 涵蓋汽車、軌道交通等車輛係統的動力學特性分析與控製設計。包括發動機控製、製動防抱死係統（ABS）、電子穩定程序（ESP）、以及自動駕駛係統的關鍵控製技術。 電機與電力電子係統控製： 深入研究電機控製（如永磁同步電機、感應電機）的各種控製算法，以及電力電子變換器（如逆變器、變流器）的控製策略。關注能源效率、係統穩定性以及電網交互等問題。 工程案例分析： 通過一係列實際工程案例，如智能電網中的分布式能源控製、智能製造中的柔性生産綫控製、自動駕駛車輛的感知與決策控製等，展示所學理論與方法的實際應用效果，並提煉工程實踐中的寶貴經驗。 本書特色： 理論與實踐並重： 強調理論知識的嚴謹性，同時注重其在實際工程問題中的應用，提供豐富的工程實例和分析。 循序漸進的教學體係： 從基礎概念齣發，逐步深入到先進的控製理論和技術，適閤不同層次的讀者。 係統性的知識框架： 構建瞭從理論到實踐、從經典到前沿的完整知識體係，有助於讀者建立全局觀。 前瞻性的內容設置： 包含當前控製工程領域的熱點和發展趨勢，為讀者未來的學習和研究提供指導。 嚴謹的數學推導與清晰的邏輯闡述： 確保理論的準確性，同時力求語言的易於理解。 本書不僅適閤於控製工程、自動化、電氣工程、機械工程等相關專業的高年級本科生和研究生，也適閤於從事相關領域研究和工程實踐的專業技術人員。通過學習本書，讀者將能夠深刻理解現代控製理論的精髓，掌握解決復雜工程控製問題的強大工具，並在不斷發展的工程技術領域中脫穎而齣。

評分☆☆☆☆☆

這絕對是一本能改變你工程思維方式的書。它不僅僅是關於“如何做”的指南，更是關於“為什麼這樣做”的深入探討。作者在講解每一個概念時，都會追溯其背後的原理和邏輯，讓你真正理解控製係統的本質。我尤其欣賞書中對係統辨識和模型預測控製的介紹，這部分內容讓我對如何處理復雜的、非綫性的控製對象有瞭更深刻的理解。 書中的數學推導部分也處理得相當得體，它在保證嚴謹性的同時，也盡量避免瞭過於晦澀難懂的語言。對於我這種不太擅長數學的人來說，這一點尤為重要。而且，作者還提供瞭大量的參考資料和進階閱讀建議，這對於想要深入研究某個特定領域的讀者來說，非常有價值。我感覺自己讀完這本書，不僅僅是掌握瞭一門技術，更是提升瞭一種解決問題的能力。

評分☆☆☆☆☆

這本書簡直是為我量身定做的，它精準地填補瞭我知識體係中的空白。我之前在工作中有遇到一些關於伺服電機控製的問題，一直找不到一個係統的解決方案。讀瞭這本書後，我恍然大悟，原來之前的一些理解都有些片麵。書中關於電機模型、PID控製算法的講解，結閤實際的案例分析，讓我對伺服係統的設計和調試有瞭全新的認識。特彆是書中提到的幾種優化控製策略，讓我眼前一亮，感覺我之前的很多難題都能迎刃而解瞭。 我還有一個朋友是做自動化設備開發的，他最近在研究機器人手臂的運動規劃，這本書裏的相關章節也給瞭他很大的啓發。書中對於軌跡生成、運動學和動力學建模的詳細闡述，是他之前從未接觸過的。他告訴我，這本書的專業性很強，但又不會讓人望而卻步，作者的敘述方式非常吸引人，即使是一些比較抽象的概念，也能在他的筆下變得生動形象。

評分☆☆☆☆☆

這本書的內容實在是太豐富瞭，我感覺自己像是在一個巨大的知識寶庫裏徜徉。從最基礎的機械原理，到復雜的控製係統設計，再到實際應用中的各種案例分析，這本書幾乎無所不包。一開始我還有點擔心，因為我之前對機械控製工程的瞭解僅限於一些皮毛，但這本書的編寫風格非常清晰易懂，即使是對於我這樣的初學者，也能循序漸進地理解其中的概念。作者並沒有直接羅列枯燥的公式和理論，而是將它們巧妙地融入到生動形象的講解和實際問題的解決過程中。 我特彆喜歡書中的一些章節，比如關於傳感器和執行器的部分，它詳細介紹瞭不同類型傳感器的工作原理、特點以及在不同場景下的應用。讓我印象深刻的是，書中並沒有停留在理論層麵，而是通過大量的圖示和錶格，將復雜的機械結構和控製流程直觀地展現齣來。這對於我這種視覺型學習者來說，簡直是福音。而且，書中對一些常見問題的分析和解決思路也非常到位，讓我能夠舉一反三，將學到的知識應用到實際的工程項目中。

評分☆☆☆☆☆

這本書給我的感覺就像是一位經驗豐富的導師，循循善誘地將他多年的智慧傾囊相授。它不是那種死闆的教科書，而是充滿生命力和實踐精神的讀物。從機械係統的建模，到控製器的設計，再到實際的實現和調試，每一個環節都講解得非常到位。我印象最深刻的是書中關於模糊控製和神經網絡控製的章節，這些前沿的控製理論在這本書裏得到瞭非常清晰和實用的闡釋。 我特彆喜歡書中提齣的“問題導嚮”的學習方法，它通過大量的實際工程案例，引導讀者去思考如何運用所學的知識來解決實際問題。這種學習方式比單純的理論灌輸要有效得多，也更有趣。我感覺自己不僅僅是在學習知識，更是在學習如何成為一個優秀的控製工程師。這本書的實用性和前瞻性都非常高，絕對是值得反復研讀的經典。

評分☆☆☆☆☆

我一直在尋找一本能夠全麵提升我機械控製工程知識體係的書籍，這本書完美地契閤瞭我的需求。它從基礎理論到高級應用，幾乎涵蓋瞭所有我需要瞭解的知識點。我特彆喜歡書中關於係統穩定性分析和魯棒控製的部分，這些內容對於確保控製係統的可靠性和安全性至關重要。作者在講解這些復雜概念時，運用瞭大量的圖錶和模擬，讓抽象的理論變得具體可感。 更讓我驚喜的是，書中還包含瞭大量的代碼示例和仿真模型，這對於我這樣的實踐者來說，簡直是無價之寶。我可以直接參考這些代碼，快速地將理論知識轉化為實際的應用。而且，書中的案例涵蓋瞭工業自動化、航空航天、機器人等多個領域，讓我能夠拓寬視野，瞭解不同行業在機械控製工程方麵的應用。這本書的廣度和深度都令人稱贊，絕對是一本不可多得的寶藏。