现代机械控制工程

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 控制系统应用举例 3
1.2.1 工作台位置自动控制系统 3
1.2.2 磁悬浮系统 7
1.2.3 简单机械手 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 机械控制系统的数学模型 13
2.1 微分方程 13
2.2 非线性数学模型的线性化 15
2.3 传递函数 17
2.3.1 拉普拉斯变换 17
2.3.2 传递函数的定义 18
2.3.3 典型环节的传递函数 19
2.4 状态空间表达式 20
2.4.1 基本概念 20
2.4.2 状态空间表达式的定义 21
2.5 状态空间表达式的建立 23
2.5.1 建立状态空间表达式的直接法 23
2.5.2 由微分方程建立状态空间表达式 27
2.5.3 由传递函数建立状态空间表达式 32
2.6 由状态空间表达式求传递函数矩阵 33
2.6.1 传递函数矩阵的概念 33
2.6.2 由状态空间表达式求传递函数矩阵 34
2.7 离散控制系统的数学模型 36
2.7.1 离散控制系统概述 36
2.7.2 Z 变换和Z 逆变换 38
2.7.3 离散控制系统的差分方程 41
2.7.4 离散控制系统的传递函数 42
2.7.5 离散控制系统的状态空间表达式 46
2.8 MATLAB 的运用与分析 50
2.8.1 系统数学模型的MATLAB 表示 50
2.8.2 数学模型间的转换 52
2.9 工程实例中的数学模型建立 55
2.9.1 工作台位置自动控制系统 55
2.9.2 倒立振子/台车控制系统 57
2.9.3 简单机械手 59
习题 62
第3章 机械控制系统数学模型求解及分析 65
3.1 单输入单输出系统时域分析 65
3.1.1 典型输入信号 65
3.1.2 一阶系统的时域响应 66
3.1.3 二阶系统的时域响应 68
3.2 单输入单输出系统频域分析 74
3.2.1 频率特性的概念 74
3.2.2 频率特性的求法 74
3.2.3 频率特性的图形表达 75
3.2.4 频率特性的性能指标 82
3.3 单输入单输出系统根轨迹分析 83
3.3.1 根轨迹定义 83
3.3.2 根轨迹的幅值条件和相角条件 84
3.3.3 绘制根轨迹的基本规则 85
3.3.4 根轨迹与系统性能的关系 91
3.4 多输入多输出系统时域分析 91
3.4.1 线性定常齐次状态方程的解 92
3.4.2 矩阵指数 94
3.4.3 状态转移矩阵 98
3.4.4 线性常系数非齐次状态方程的解 99
3.4.5 线性系统的可控性与可观测性 102
3.4.6 线性系统的可控标准型与可观测标准型 111
3.5 离散控制系统数学模型求解及分析 115
3.5.1 离散控制系统时域分析 116
3.5.2 离散状态方程的解 119
3.5.3 离散系统的可控性与可观测性 121
3.6 MATLAB 在状态空间分析的应用 122
3.6.1 矩阵指数函数的计算 122
3.6.2 连续系统的状态空间模型求解 123
3.6.3 连续系统的离散化 125
3.6.4 离散系统的状态空间模型求解 126
3.6.5 系统可控性和可观测性判断 127
3.7 工程实例中的时域分析 130
3.7.1 工作台位置自动控制系统 130
3.7.2 倒立振子/台车控制系统 131
3.7.3 简单机械手 132
习题 133
第4章 机械控制系统的稳定性分析 139
4.1 系统稳定性的基本概念 139
4.2 单输入单输出系统的稳定性分析 140
4.2.1 代数稳定性判据 141
4.2.2 几何稳定性判据 147
4.2.3 系统的相对稳定性 152
4.2.4 稳态误差分析 154
4.3 多输入多输出系统的稳定性分析 164
4.3.1 李雅普诺夫第一方法 165
4.3.2 李雅普诺夫第二方法 167
4.3.3 系统稳定性分析 169
4.4 离散控制系统的稳定性分析 171
4.4.1 单输入单输出离散控制系统的稳定性分析 171
4.4.2 多输入多输出离散控制系统的稳定性分析 176
4.5 MATLAB 在系统稳定性分析中的应用 176
4.5.1 连续系统的李雅普诺夫稳定性分析 176
4.5.2 离散控制系统的李雅普诺夫稳定性分析 178
4.6 工程实例中的稳定性分析 179
4.6.1 工作台位置自动控制系统 179
4.6.2 倒立振子/台车控制系统 180
4.6.3 简单机械手 181
习题 182
第5章 机械控制系统校正与设计 185
5.1 单输入单输出控制系统校正 186
5.1.1 并联校正 186
5.1.2 串联校正 188
5.2 多输入多输出控制系统控制器设计 191
5.2.1 系统的状态反馈 191
5.2.2 系统的输出反馈 192
5.2.3 系统极点的配置 193
5.2.4 状态反馈解耦 195
5.2.5 状态观测器及其设计 200
5.3 离散控制系统的校正与设计 207
5.3.1 模拟化设计法 207
5.3.2 离散设计法 208
5.3.3 少拍设计 209
5.4 MATLAB 在系统控制器设计中的应用 212
5.4.1 极点配置 212
5.4.2 状态观测器设计 214
5.5 工程实例中的系统校正与设计 215
5.5.1 工作台位置自动控制系统 215
5.5.2 倒立振子/台车控制系统 217
5.5.3 简单机械手 219
习题 220
第6章 优控制理论基础 225
6.1 优控制理论概述 225
6.2 优性能指标 226
6.2.1 积分型优性能指标 227
6.2.2 末值型优性能指标 228
6.2.3 综合优性能指标 228
6.2.4 优控制的约束条件 228
6.3 系统的优参数问题 228
6.4 连续系统的二次型优控制 229
6.4.1 连续系统二次型调节器问题的求解 230
6.4.2 连续系统二次型调节器问题的拓展 231
6.4.3 MATLAB 实现 232
6.5 离散系统的二次型优控制 233
6.5.1 离散系统二次型优控制问题的求解 233
6.5.2 采用离散极小值原理的求解 234
6.5.3 小性能指标的计算 236
6.6 动力减振器的优控制 241
习题 243
第7章 智能控制理论基础 245
7.1 智能控制的结构 245
7.2 学习控制系统 246
7.2.1 学习控制的发展 246
7.2.2 学习控制的基本原理 246
7.2.3 学习控制的应用举例 248
7.3 模糊控制系统 250
7.3.1 集合的基本概念和术语 250
7.3.2 模糊控制的理论基础 252
7.3.3 模糊控制的基本原理 253
7.3.4 模糊控制的应用举例 259
7.4 专家控制系统 264
7.4.1 专家控制系统的结构 265
7.4.2 专家系统的类型 266
7.4.3 专家控制系统的应用举例 266
7.5 人工神经网络控制系统 269
7.5.1 人工神经元模型 269
7.5.2 人工神经网络的构成 270
7.5.3 人工神经网络的学习算法 270
7.5.4 人工神经网络应用举例 273
7.6 仿人智能控制 274
7.6.1 仿人智能控制的基本思想 275
7.6.2 仿人智能控制的原型算法 275
7.6.3 仿人智能控制器设计的基本步骤 276
7.6.4 仿人智能控制的应用举例 276
7.7 其他智能控制方法 280
7.7.1 智能PID 控制 280
7.7.2 自适应控制系统 282
7.7.3 深度学习 284
习题 289
部分习题参考答案 290
参考文献 297