現(xiàn)代機械工程自動控制

前言

　　裝備制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟中的重要基礎(chǔ)工業(yè)。機械裝備為各類產(chǎn)品的物化提供平臺和載體，機械裝備的技術(shù)水平是衡量社會生產(chǎn)力水平的重要標(biāo)志，機械科學(xué)、機械工程技術(shù)和機械工業(yè)的發(fā)展水平對經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展的作用都至關(guān)重要?！　∧壳埃澜鐧C械工業(yè)產(chǎn)值達到了總工業(yè)產(chǎn)值的1／3以上。我國制造業(yè)增加值在國內(nèi)生產(chǎn)總值所占的比重高達40％，我國財政收入的一半也來自制造業(yè)。隨著加入wTO，我國經(jīng)濟越來越融人全球經(jīng)濟體系，我國的制造業(yè)在世界制造業(yè)中的地位也越來越重要，并正從制造大國邁向制造強國。至少在21世紀(jì)的前20年，制造業(yè)將仍然是我國國民經(jīng)濟增長的主要來源，因此需要大批綜合素質(zhì)高、能力強的機械類專業(yè)人才?！　×硗?，我國高等教育從精英型教育階段進入了大眾型教育階段，實現(xiàn)了高等教育歷史性的跨越式發(fā)展，技術(shù)的進步和社會的發(fā)展也對高等院校機械工程教育的人才培養(yǎng)提出了新的要求。　　為此，中國科學(xué)院教材建設(shè)專家委員會和科學(xué)出版社組織我國機械工程領(lǐng)域的中國科學(xué)院院士、教育部教學(xué)指導(dǎo)委員會成員、教學(xué)名師以及經(jīng)驗豐富的專家教授組成編委會，共同組織編寫了這套《中國科學(xué)院機械工程系列規(guī)劃教材》，以適應(yīng)我國高等機械工程教育事業(yè)的發(fā)展，更好地實現(xiàn)機械工程類專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)。在規(guī)模上、素質(zhì)上更好地滿足我國機械科學(xué)技術(shù)和機械工業(yè)發(fā)展的需要，為建設(shè)創(chuàng)新型國家作出貢獻。　　本套教材主要有以下幾方面的特點：　?。?）適應(yīng)多層次的需要。本套教材依據(jù)教育部相關(guān)教學(xué)指導(dǎo)委員會制定的最新專業(yè)規(guī)范和機械基礎(chǔ)課程最新的教學(xué)基本要求，同時吸取不同層次學(xué)校教師的意見，進行了教材內(nèi)容的編排與優(yōu)化，能夠滿足各類型高校學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)?！　。?）結(jié)構(gòu)體系完備。各門課程的知識點之間相互銜接，以便學(xué)生完整掌握學(xué)科基本概念、基本理論，了解學(xué)科整體發(fā)展趨勢。本套教材除主教材外，還配套有輔導(dǎo)書、多媒體課件、習(xí)題集及網(wǎng)絡(luò)課程等?！　。?）作者經(jīng)驗豐富。參加本套教材編寫的人員不少來自相關(guān)國家重點學(xué)科、國家機械教學(xué)基地的院校，有些還是國家級、省部級教學(xué)成果獎獲得者，是國家級、省級精品課程建設(shè)負(fù)責(zé)人以及相關(guān)院校的骨干教師代表。　　（4）理論與實際相結(jié)合，加強實踐教學(xué)。在達到掌握基本理論、基本知識、基本技能的教學(xué)要求下，注重例題、設(shè)計實踐和實驗教學(xué)，著力于學(xué)生分析問題能力、創(chuàng)新能力和實際動手能力的培養(yǎng)。

內(nèi)容概要

　　《中國科學(xué)院機械工程系列規(guī)劃教材：現(xiàn)代機械工程自動控制》是按高等院?！皺C械工程及其自動化”專業(yè)研究生培養(yǎng)目標(biāo)編寫的，分9章講述了現(xiàn)代機械工程自動控制的基本原理、設(shè)計方法和在現(xiàn)代機械工程自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。內(nèi)容涉及控制理論的基本概念、現(xiàn)代機械自動控制系統(tǒng)的驅(qū)動與傳動、系統(tǒng)控制器及傳感技術(shù)、線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、線性系統(tǒng)的時域分析、狀態(tài)空間分析和穩(wěn)定性分析，系統(tǒng)校正與控制器設(shè)計、最優(yōu)控制以及智能控制等。通過工程應(yīng)用實例講述現(xiàn)代機械工程自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法和理論，并加入了MATLAB語言在各章的具體應(yīng)用舉例，以便于用計算機進行分析研究。各章附有習(xí)題和部分參考答案，便于幫助讀者事半功倍地學(xué)習(xí)現(xiàn)代機械工程自動控制系統(tǒng)的理論內(nèi)容、設(shè)計步驟與分析方法等技術(shù)?！吨袊茖W(xué)院機械工程系列規(guī)劃教材：現(xiàn)代機械工程自動控制》的特點是深入淺出、概念清晰、原理簡明、方法實用?！　　吨袊茖W(xué)院機械工程系列規(guī)劃教材：現(xiàn)代機械工程自動控制》可作為高等工科院校機械工程及自動化類專業(yè)高年級本科生及研究生的教材，也可供廣大科研人員、工程技術(shù)人員及高校教師參考。

書籍目錄

序前言第1章 緒論1.1 引言1.2 機械工程的發(fā)展與控制理論的應(yīng)用1.3 控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例1.3.1 工作臺位置自動控制系統(tǒng)1.3.2 磁懸浮系統(tǒng)1.3.3 簡單機械手1.4 機械自動控制系統(tǒng)的分類習(xí)題第2章 自動控制系統(tǒng)的驅(qū)動器與傳動裝置2.1 概述2.2 直流伺服電動機及其控制2.2.1 直流伺服電動機的分類和特點2.2.2 直流伺服電動機的控制特性2.2.3 直流伺服電動機的驅(qū)動與控制2.2.4 無刷直流伺服電動機2.3 交流伺服電動機及其控制2.3.1 概述2.3.2 交流伺服電動機的控制特性2.3.3 交流伺服電動機的使用2.4 步進電動機及其控制2.4.1 步進電動機的主要性能指標(biāo)2.4.2 步進電動機的控制特性2.4.3 步進電動機的選擇與使用2.5 特種電動機及其應(yīng)用2.5.1 力矩電動機2.5.2 直線電動機2.6 運動控制系統(tǒng)中的傳動機構(gòu)2.6.1 諧波齒輪傳動機構(gòu)2.6.2 滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌2.6.3 同步齒型帶和帶傳動機構(gòu)2.7 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計2.7.1 一般性設(shè)計原則2.7.2 設(shè)計舉例2.8 工程實例中的驅(qū)動及其傳動技術(shù)習(xí)題第3章 機械工程中的常用自動控制系統(tǒng)3.1 概述3.2 微控制系統(tǒng)3.3 專用控制系統(tǒng)3.4 計算機控制系統(tǒng)3.4.1 通用工業(yè)控制計算機3.4.2 數(shù)據(jù)采集卡及常用傳感器3.4.3 其他類型工控機3.5 運動控制卡3.6 可編程自動化控制系統(tǒng)3.7 工程實例中的控制系統(tǒng)設(shè)計3.7.1 倒立振子／臺車控制系統(tǒng)3.7.2 簡單機械手習(xí)題第4章 現(xiàn)代機械工程系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立4.1 自動控制系統(tǒng)的微分方程4.2 自動控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)4.3 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述4.3.1 基本概念4.3.2 自動控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式4.4 狀態(tài)空間表達式的建立方法4.4.1 建立狀態(tài)空間表達式的直接方法4.4.2 由微分方程求狀態(tài)空間表達式4.4.3 由系統(tǒng)傳遞函數(shù)寫出狀態(tài)空間表達式4.5 從系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式求傳遞函數(shù)矩陣4.5.1 傳遞函數(shù)矩陣的概念4.5.2 由狀態(tài)空間表達式求傳遞函數(shù)矩陣4.6 離散控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型4.6.1 離散控制系統(tǒng)概述4.6.2 Z變換和Z反變換4.6.3 離散系統(tǒng)的差分方程4.6.4 離散系統(tǒng)的傳遞函數(shù)4.6.5 離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式4.7 MATI，AB的運用與分析4.7.1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的MATLAB表示4.7.2 系統(tǒng)模型的轉(zhuǎn)換4.8 工程實例中的數(shù)學(xué)模型的建立4.8.1 工作臺位置自動控制系統(tǒng)4.8.2 倒立振子／臺車控制系統(tǒng)4.8.3 簡單機械手習(xí)題第5章 機械工程自動化系統(tǒng)的時域分析5.1 單輸入單輸出系統(tǒng)時域分析5.1.1 一階系統(tǒng)的時域響應(yīng)5.1.2 二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)5.2 線性定常齊次狀態(tài)方程的解5.2.1 直接求解“5.2.2 利用拉氏變換求解5.3 矩陣指數(shù)5.3.1 矩陣指數(shù)的一般性質(zhì)5.3.2 特殊矩陣指數(shù)的性質(zhì)5.4 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣5.4.1 基本概念5.4.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的性質(zhì)5.5 線性常系數(shù)非齊次狀態(tài)方程的解5.5.1 直接求解法5.5.2 利用拉氏變換求解5.6 線性系統(tǒng)的可控性與可觀測性5.6.1 線性連續(xù)系統(tǒng)的可控性判別準(zhǔn)則5.6.2 線性連續(xù)系統(tǒng)的可觀測性判別準(zhǔn)則5.6.3 可控性與可觀測性的對偶關(guān)系5.6.4 磁球懸浮系統(tǒng)分析實例5.7 系統(tǒng)的可控標(biāo)準(zhǔn)型與可觀測標(biāo)準(zhǔn)型5.7.1 系統(tǒng)的可控標(biāo)準(zhǔn)型5.7.2 系統(tǒng)的可觀測標(biāo)準(zhǔn)型5.8 離散狀態(tài)方程的解5.8.1 遞推法5.8.2 Z變換法5.9 離散系統(tǒng)的可控性與可觀測性5.9.1 線性離散系統(tǒng)的可控性5.9.2 線性離散系統(tǒng)的可觀測性5.10 MATLAB在狀態(tài)空間分析的應(yīng)用5.10.1 矩陣指數(shù)函數(shù)的計算5.10.2 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型求解5.10.3 連續(xù)系統(tǒng)的離散化5.10.4 線性定常離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型求解5.10.5 系統(tǒng)的可控性和可觀測性判斷5.11 工程實例中的時域分析5.11.1 工作臺位置自動控制系統(tǒng)5.11.2 倒立振子／臺車控制系統(tǒng)5.11.3 簡單機械手習(xí)題第6章 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析6.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念6.2 代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)6.2.1 赫爾維茨判據(jù)6.2.2 勞斯判據(jù)6.3 李雅普諾夫穩(wěn)定性分析法6.3.1 平衡狀態(tài)6.3.2 范數(shù)的概念6.3.3 李雅普諾夫穩(wěn)定性定義6.3.4 李雅普諾夫函數(shù)V（z）的符號定義6.3.5 二次型標(biāo)量函數(shù)的正定性6.3.6 李雅普諾夫直接法6.4 線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析6.5 離散系統(tǒng)的Z域分析6.5.1 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析6.5.2 極點分布與瞬態(tài)響應(yīng)的關(guān)系6.5.3 離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差6.6 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析6.7 MATLAB在系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用6.7.1 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析6.7.2 線性定常離散系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析6.8 工程實例中的穩(wěn)定性分析6.8.1 工作臺位置自動控制系統(tǒng)6.8.2 倒立振子／臺車控制系統(tǒng)6.8.3 簡單機械手習(xí)題第7章 現(xiàn)代機械自動控制系統(tǒng)設(shè)計7.1 概述7.1.1 設(shè)計要求7.1.2 控制器結(jié)構(gòu)7.1.3 設(shè)計的基本原則7.2 并聯(lián)校正7.2.1 反饋校正7.2.2 順饋校正7.3 串聯(lián)校正7.3.1 Bode定理簡介及應(yīng)用7.3.2 相位超前校正7.3.3 相位滯后校正7.3.4 相位滯后一超前校正7.4 控制器類型7.4.1 PID控制器7.4.2 有源相位超前控制器7.4.3 有源相位滯后控制器7.4.4 有源相位滯后一超前控制器7.5 系統(tǒng)的狀態(tài)反饋7.6 系統(tǒng)的輸出反饋7.7 系統(tǒng)極點的配置7.7.1 齊次狀態(tài)方程的極點配置7.7.2 非齊次狀態(tài)方程的極點配置7.8 狀態(tài)觀測器及其設(shè)計7.8.1 全維狀態(tài)觀測器的設(shè)計7.8.2 帶有狀態(tài)觀測器的閉環(huán)控制系統(tǒng)7.8.3 降維狀態(tài)觀測器的設(shè)計7.9 離散系統(tǒng)的校正與設(shè)計7.9.1 模擬化設(shè)計法7.9.2 離散設(shè)計法7.9.3 最少拍設(shè)計7.10 MATLAB在系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用7.10.1 極點配置7.10.2 狀態(tài)觀測器設(shè)計7.11 工程實例中的系統(tǒng)設(shè)計7.11.1 工作臺位置自動控制系統(tǒng)7.11.2 倒立振子／臺車控制系統(tǒng)7.11.3 簡單機械手習(xí)題第8章 最優(yōu)控制理論基礎(chǔ)8.1 概述8.2 最優(yōu)性能指標(biāo)8.2.1 積分型最優(yōu)性能指標(biāo)8.2.2 末值型最優(yōu)性能指標(biāo)8.2.3 綜合最優(yōu)性能指標(biāo)8.2.4 最優(yōu)控制的約束條件8.3 系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)問題8.4 連續(xù)系統(tǒng)的二次型最優(yōu)控制8.4.1 連續(xù)系統(tǒng)二次型調(diào)節(jié)器問題的求解8.4.2 連續(xù)系統(tǒng)二次型調(diào)節(jié)器問題的拓展8.4.3 MATLAB實現(xiàn)8.5 離散系統(tǒng)的二次型最優(yōu)控制8.5.1 離散系統(tǒng)二次型最優(yōu)控制問題的求解8.5.2 采用離散極小值原理的求解8.5.3 最小性能指標(biāo)的計算8.6 動力減振器的最優(yōu)控制習(xí)題第9章 智能控制理論基礎(chǔ)9.1 智能控制的結(jié)構(gòu)9.2 學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)9.2.1 學(xué)習(xí)控制的發(fā)展9.2.2 學(xué)習(xí)控制的基本原理9.2.3 學(xué)習(xí)控制的應(yīng)用舉例9.3 模糊控制系統(tǒng)9.3.1 集合的基本概念和術(shù)語9.3.2 模糊控制的理論基礎(chǔ)9.3.3 模糊控制的基本原理9.3.4 模糊控制的應(yīng)用舉例9.4 專家控制系統(tǒng)9.4.1 專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)9.4.2 專家系統(tǒng)的類型9.4.3 專家控制系統(tǒng)的應(yīng)用舉例9.5 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)9.5.1 人工神經(jīng)元模型9.5.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成9.5.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法9.5.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例9.6 仿人智能控制9.6.1 仿人智能控制的基本思想9.6.2 仿人智能控制的原型算法9.6.3 仿人智能控制器設(shè)計的基本步驟9.6.4 仿人智能控制的應(yīng)用舉例9.7 其他智能控制方法9.7.1 智能PID控制9.7.2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)習(xí)題參考文獻部分習(xí)題參考答案

章節(jié)摘錄

　　第1章　緒論　　1.1　引言　　隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。所謂自動控制，指的是在沒有人直接參與的情況下，利用控制器自動控制機器設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱為被控對象）的工作狀態(tài)，使之保持不變或按預(yù)定的規(guī)律變化。所謂自動控制系統(tǒng)，指的是能實現(xiàn)自動控制目標(biāo)的組合系統(tǒng)（機-電組合、機-光-電組合、機-電-液組合等）。在日常生活中，我們需要自動控制室內(nèi)的溫度和濕度；在交通領(lǐng)域，我們需要自動控制汽車和飛機精確而又安全地從一個地方到達另一個地方；在機械加工中，我們需要能按預(yù)先設(shè)定的工藝程序自動切削工件，從而加工出預(yù)期幾何形狀的數(shù)控機床或加工中心；在航空航天領(lǐng)域，我們需要能按照預(yù)定航線自動起落和飛行的無人駕駛飛機，以及能自動攻擊目標(biāo)的導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)和制導(dǎo)系統(tǒng)等，這些都是自動控制系統(tǒng)的實例?！　〗陙?，自動控制技術(shù)已經(jīng)滲透到人類社會的各個方面、各個角落，在機械工程、石油化工、交通運輸、采礦、冶金、水利電力、環(huán)境保護、食品、紡織等行業(yè)得到了極為廣泛的應(yīng)用，我們?nèi)粘；顒拥拿恳粋€方面幾乎都受到自動控制技術(shù)的積極影響?！　∽詣涌刂萍夹g(shù)之所以能有如此廣泛的應(yīng)用，是因為它使生產(chǎn)過程具有高度的準(zhǔn)確性，能有效地提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，同時節(jié)約能源和降低材料消耗；能極大地提高勞動生產(chǎn)率，同時改善勞動條件，減輕工人的勞動強度；在國防方面，能有效提高各種武器裝備的現(xiàn)代化水平，增強攻擊和防御能力等?！　‰娮蛹夹g(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展使其在自動控制領(lǐng)域的作用和地位日益突出，絕大部分現(xiàn)代機械系統(tǒng)都已離不開電子和計算機控制設(shè)備。本書的主要內(nèi)容就是解決現(xiàn)代機械系統(tǒng)的自動控制問題，既不是單純地討論機械系統(tǒng)，也不是抽象地介紹自動控制理論，而是通過典型的實例，介紹現(xiàn)代機械工程自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點，引出學(xué)習(xí)現(xiàn)代自動控制理論的必要性和主要學(xué)習(xí)內(nèi)容，使讀者明確為了研制出高水平的現(xiàn)代機械工程自動控制系統(tǒng)所必須具備的理論基礎(chǔ)、系統(tǒng)分析方法和設(shè)計方法。　　……

編輯推薦

　　現(xiàn)代機械工程自動控制　　注重系統(tǒng)硬件設(shè)計方法與控制理論基本概念的深入理解；強調(diào)基本原理和方法的內(nèi)在聯(lián)系及其在工程實際中的應(yīng)用；采用了MATLAB語言作為輔助學(xué)習(xí)工具，有助于增強學(xué)習(xí)效果；通過實例講述現(xiàn)代機械工程控制系統(tǒng)的設(shè)計和分析方法，易教易學(xué)；每章后附有習(xí)題，書后附有部分參考答案，方便教學(xué)參考。

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