机械工程控制基础学习辅导与题解(修订版) 9787560986630 熊良才,杨克冲,吴波 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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• 9787560986630
• 熊良才
• 杨克冲
• 吴波

店铺： 华中科技大学出版社旗舰店

出版社： 华中科技大学出版社

ISBN：9787560986630

商品编码：26010771606

丛书名： 机械工程控制基础学习辅导与题解

出版时间：2013-02-01

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基本信息

书名:机械工程控制基础学习辅导与题解(修订版)

：28.8元

作者:熊良才，杨克冲，吴波 著

出版社：华中科技大学出版社

出版日期：2013-03-01

ISBN：9787560986630

字数：

页码：226

版次：2

装帧：平装

开本：16开

商品重量：

编辑推荐

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目录

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第1章 绪论
内容提要
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
1.2 系统及其模型
1.3 反馈
1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求基本要求、重点与难点
例题
习题与解答

第2章 系统的数学模型
内容提要
2.1 系统的微分方程
2.2 系统的传递函数
2.3 系统的传递函数方框图及其简化
2.4 反馈控制系统的传递函数
2.5 相似原理
2.6 系统的状态空间模型
基本要求、重点与难点
例题
习题与解答

第3章 时间响应分析
内容提要
3.1 时间响应及其组成
3.2 典型输入信号
3.3 一阶系统的时间响应
3.4 二阶系统的时间响应
3.5 高阶系统的响应分析
3.6 系统误差分析与计算
3.7 δ函数在时间响应中的作用
基本要求、重点与难点
例题
习题与解答

第4章 频率特性分析
内容提要
4.1 频率特性概述
4.2 频率特性的图示法
4.3 频率特性的特征量
4.4 小相位系统和小相位系统基本要求、重点与难点
例题
习题与解答

第5章 系统的稳定性
内容提要
5.1 系统稳定性的初步概念
5.2 Routh稳定判据
5.3 Nyquist稳定判据
5.4 Bode稳定判据
5.5 系统的相对稳定性
基本要求、重点与难点
例题
习题与解答

第6章 系统的性能与校正
内容提要
6.1 系统的性能指标
6.2 系统的校正
6.3 无源校正
6.4 PID校正
6.5 反馈校正
6.6 顺馈校正
基本要求、重点与难点
例题
习题与解答

第7章 线性系统初步
内容提要
7.1 概述
7.2 描述函数法
7.3 相平面分析法
基本要求、重点与难点
例题
习题与解答

第8章 线性离散系统初步
内容提要
8.1 概述
8.2 信号的采样与采样定理
8.3 Z变换与Z逆变换
8.4 离散系统的传递函数
8.5 离散系统的稳定性分析
8.6 离散系统的校正与设计
基本要求、重点与难点
例题
习题与解答

第9章 系统辨识初步
内容提要
9.1 系统辨识的基本概念
9.2 系统辨识的频率特性法
9.3 单位脉冲响应的估计
9.4 系统辨识的差分方程法
基本要求、重点与难点
习题与解答

附录 设计题目选编
题目1 直线一级倒立摆的建模、分析与PID控制
题目2 磁悬浮实验装置建模、分析及其控制
题目3 单容水箱液位控制系统建模、分析及其控制
题目4 水温控制系统建模、分析及其控制
题目5 电动玩具车定速巡航系统
题目6 张力控制实验系统
参考文献

内容提要

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《机械工程控制基础学习辅导与题解（修订版）》对教材中的内容进行了简要的总结，扩充了教材中的例题，并对教材中的所有习题进行了解答。
　　《机械工程控制基础学习辅导与题解（修订版）》可作为讲授“机械工程控制基础”课程教师的教学参考书，也可作为机械类学生学习该课程的参考书。

文摘

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（1）特征方程的各项系数都不等于零；
　　（2）特征方程的各项系数的符号都相同。
　　此即系统稳定的必要条件。
　　按习惯，一般取阶次项的系数为正，上述两个条件可以归结为一个必要条件，即系统特征方程的各项系数全大于零，且不能为零。
　　2.系统稳定的充要条件
　　系统稳定的充要条件是Routh表的列元素全部大于零，且不能等于零。
　　运用Routh判据还可以判定一个不稳定系统所含的具有正实部的特征根的个数，即Routh表列元素中符号改变的次数。
　　运用Routh判据的关键在于建立Routh表。建立Routh表的方法请参阅相关的例题。运用Routh判据判定系统的稳定性，需要知道系统闭环传递函数或系统的特征方程。
　　在运用Routh判据时还应注意以下两种特殊的情况。
　　（1）如果在Pouth表中任意一行的个元素为零，而其后各元素不全为零，则在计算下一行的个元素时，该元素将趋于无穷大。于是Routh表的计算无法继续。为了克服这一困难，可以用一个很小的正数e代替列等于零的元素，然后计算Routh表的其余各元素。若ε上下各元符号不变，且列元素符号均为正，则系统特征根中存在共轭的虚根。此时，系统为临界稳定系统。
　　（2）如果在Routh表中任意一行的所有元素均为零，Routh表的计算无法继续。此时，可以利用该行的上一行的元素构成一个辅助多项式，并用多项式方程的导数的系数组成Routh表的下一行。这样，Routh表中的其余各元素就可以计算下去。出现上述情况，一般是由于系统的特征根中，或存在两个符号相反的实根（系统自由响应发散，系统不稳定），或存在一对共轭复根（系统自由响应发散，系统不稳定），或存在一对共轭的纯虚根（即系统自由响应会维持某一频率的等幅振荡，此时系统临界稳定），或是以上几种的组合，等等。这些特殊的使系统不稳定或临界稳定的特征根可以通过求解辅助多项式方程得到。
　　3.相对稳定性的检验
　　对于稳定的系统，运用Routh判据还可以检验系统的相对稳定性，采用以下方法。
　　（1）将（s）平面的虚轴向左移动某个数值，即令s=z—σ（σ为正实数），代入系统特征方程，则得到关于z的特征方程。
　　（2）利用Routh判据对新的特征方程进行稳定性判别。如果新Routh表列元素全大于零，则说明原系统特征方程所有的根均在新虚轴之左边，σ越大，系统相对稳定性越好。
　　5.3Nyquist稳定判据
　　1.辅助函数及其与开环、闭环传递函数零点和极点的关系。
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作者介绍

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《现代机械系统动力学与控制》 图书简介 本书聚焦于现代机械系统在复杂动态环境下的行为分析与精确控制，旨在为从事机械工程、自动化、机器人技术及相关领域研究与开发的专业人士提供一套系统、深入的学习辅导与理论解析。全书在继承经典控制理论精髓的基础上，充分融合了现代控制理论的最新进展，并着重于机械系统特有的动力学特性和控制挑战。 第一章 绪论：机械系统动力学的基本概念与控制的意义 本章将从宏观视角出发，引导读者认识机械系统的复杂性及其对精确控制的需求。我们将首先界定“机械系统动力学”的核心概念，包括惯性、阻尼、弹性等基本物理属性如何影响系统的运动状态。随后，深入探讨机械系统在现实应用中为何必须进行有效的控制，例如提高生产效率、保证产品质量、实现高精度定位、保障人机安全等。我们将通过一系列经典案例，如工业机器人手臂的运动轨迹控制、汽车悬架系统的减震优化、航空航天器的姿态稳定等，来阐释动力学行为分析与控制策略设计之间的紧密联系。此外，本章还将简要回顾控制理论的发展历程，并展望现代机械系统控制的发展趋势，为后续章节的学习奠定坚实的理论基础和广阔的视野。 第二章 机械系统动力学建模：从物理原理到数学描述 动力学建模是理解和控制机械系统的第一步，也是至关重要的一步。本章将详细介绍如何将现实世界的机械系统抽象化，并用严谨的数学语言来描述其动态行为。我们将首先回顾拉格朗日方程和牛顿-欧拉方程等经典力学建模方法，并重点讲解如何在复杂多自由度机械系统中应用这些方法。具体而言，将涉及如何识别系统的自由度、如何准确建立动能和势能表达式、如何考虑各种外力（如重力、摩擦力、弹簧力）的影响，以及如何推导出描述系统运动的二阶常微分方程组。 为了应对现代机械系统中普遍存在的非线性特性，本章还将引入非线性系统建模的常用技术，例如泰勒展开近似、分段线性化等。同时，我们还将探讨结构复杂、部件众多的机械系统（如齿轮传动系统、连杆机构）的建模方法，包括如何处理刚性连接、柔性连接、间隙等问题。此外，对于具有弹性变形或振动特性的机械部件，本章还将介绍有限元方法（FEM）等高级建模技术，以及如何在动力学模型中融入这些考虑。最后，我们将讨论模型验证的重要性，以及如何通过实验数据对比来修正和优化数学模型。 第三章 线性系统分析与稳定性理论 线性系统是控制理论研究的基础，其分析方法成熟且具有普适性。本章将深入剖析线性时不变（LTI）系统的基本特性。我们将首先介绍系统的时域响应分析，包括自由响应和强迫响应，以及如何利用单位冲激响应来表征系统的瞬态行为。随后，我们将重点介绍系统传递函数和系统框图等描述工具，它们能直观地展示系统的输入输出关系和内部结构。 频率响应分析是理解系统对不同频率输入信号响应特性的有力工具，本章将详细讲解如何绘制伯德图、奈奎斯特图和根轨迹图，并解释这些图谱所蕴含的系统稳定性、动态响应速度和频率特性等关键信息。 稳定性是控制系统设计的基本要求，本章将系统地介绍各种稳定性判据，包括代斯·霍尔维茨判据、根轨迹法判据、奈奎斯特判据等，并深入探讨了稳定裕度（增益裕度和相位裕度）的概念及其在系统设计中的意义。此外，本章还将引入李雅普诺夫稳定性理论，这是分析非线性系统稳定性的重要理论工具，并在此基础上为后续章节的非线性控制打下基础。 第四章 PID控制及其在机械系统中的应用 比例-积分-微分（PID）控制器因其结构简单、易于实现、性能稳定等优点，在工业界得到了最广泛的应用。本章将系统地讲解PID控制器的原理、设计方法及其在各种机械系统中的典型应用。 我们将首先详细阐述比例（P）、积分（I）和微分（D）控制分量的作用机制：比例作用用于减小误差，积分作用用于消除稳态误差，微分作用用于预测误差趋势并抑制超调。在此基础上，我们将介绍PID控制器的通用结构和不同形式，如串联、并联PID以及改进型PID（如PI-D、PD-I）。 本章将重点探讨PID参数整定方法。我们将介绍经典的图解法（如临界比例法、衰减震荡法）和试凑法，并详细讲解如何使用Ziegler-Nichols方法进行参数优化。此外，还将引入更高级的整定技术，如基于模型的整定方法（如内模控制IMC）和自适应PID控制技术。 在应用方面，本章将通过具体实例，展示PID控制器在机械系统中的成功应用，例如：电机速度控制、机械臂关节角度跟踪、数控机床轴向进给控制、液压缸位置控制等。我们将分析不同应用场景下PID控制器参数的选择原则和优化策略，并讨论PID控制在处理机械系统中的非线性、时滞等问题时的局限性和改进方法。 第五章 状态空间方法与现代控制理论基础 状态空间方法是现代控制理论的核心，它能够更全面地描述系统的动态行为，并为先进控制策略的设计提供了强大的数学工具。本章将详细介绍状态空间方程的建立与解析。我们将从物理模型出发，推导系统的状态方程和输出方程，并讲解如何选择合适的状态变量。 本章将深入探讨线性定常系统的状态方程解法，包括零输入响应和零状态响应。我们还将介绍系统的可控性和可观测性概念，并讲解如何利用其来判断系统是否能被完全控制以及其内部状态是否能被完全测量。这些概念对于现代控制器的设计至关重要。 此外，本章还将介绍线性二次型最优控制（LQR）和状态观测器（Kalman滤波器）等现代控制理论的基础。LQR通过最小化二次型性能指标来设计最优反馈增益，从而获得最优的系统响应。状态观测器则用于估计系统内部无法直接测量到的状态变量。我们将讲解这些方法的原理、计算过程以及在机械系统中的应用前景。 第六章 非线性系统分析与控制 许多实际的机械系统具有显著的非线性特性，例如摩擦、饱和、间隙、死区等。本章将聚焦于非线性系统的分析与控制方法。 我们将首先回顾非线性系统的基本概念，包括平衡点、极限环、吸引子等。随后，我们将介绍非线性系统分析的常用工具，如相平面分析，它能够直观地展现二维非线性系统的动态行为。本章还将深入讲解李雅普诺夫稳定性理论在非线性系统分析中的应用，包括直接法和间接法，以及如何利用李雅普诺夫函数来判断非线性系统的稳定性。 在非线性控制方面，本章将介绍几种重要的非线性控制策略。滑模变结构控制（Sliding Mode Control, SMC）以其对参数扰动和外部干扰的鲁棒性而著称，我们将详细讲解其基本原理、滑模面的设计以及实现方法，并分析其在机械系统（如伺服系统、机器人）中的应用。反馈线性化技术能够将非线性系统转化为等效的线性系统，从而利用线性控制理论进行设计，我们将介绍其原理与应用。此外，还将简要介绍其他非线性控制方法，如模糊控制、神经网络控制等，并探讨其在解决复杂机械系统非线性问题中的潜力。 第七章 伺服系统控制与高精度定位技术 伺服系统在现代机械工程中扮演着核心角色，广泛应用于工业自动化、机器人、数控设备等领域。本章将深入探讨伺服系统的控制原理、设计方法以及实现高精度定位的技术。 我们将首先剖析伺服系统的基本构成，包括电机、传感器（编码器、测速计）、控制器和执行器等，并分析它们在系统中的作用。随后，我们将重点讲解伺服系统的模型建立，包括电机模型、负载模型以及伺服环路的动态特性。 在控制策略方面，我们将详细介绍基于PID的伺服控制，包括位置伺服、速度伺服和力矩伺服。我们将重点讨论如何通过优化PID参数来提高伺服系统的响应速度、精度和稳定性。此外，本章还将介绍先进的伺服控制技术，如基于状态空间的模型预测控制（MPC）、自适应模糊PID控制、以及机器人学中的先进轨迹跟踪控制方法。 高精度定位是许多机械系统追求的目标，本章将探讨实现高精度定位的关键技术，包括：传感器融合与滤波技术（如卡尔曼滤波），用于提高位置估计的准确性；前馈控制与反馈控制的结合，用于补偿系统误差和外部干扰；以及基于模型的补偿技术，如摩擦补偿、重力补偿、惯性补偿等。我们还将讨论如何通过精密机械设计、减小传动误差、优化执行机构等手段来提升系统的定位精度。 第八章 机械振动分析与减振控制 机械振动是机械系统中普遍存在的现象，它不仅会降低系统的性能，影响产品质量，还可能导致设备损坏和噪音污染。本章将系统地介绍机械振动的基本理论、分析方法以及有效的减振控制策略。 我们将首先回顾单自由度和多自由度系统的自由振动和强迫振动理论，包括固有频率、振型、阻尼比等重要概念。本章将重点讲解如何利用傅里叶分析、拉普拉斯变换等数学工具来分析系统的频率响应和时域响应。 在减振控制方面，本章将介绍多种行之有效的技术。我们将详细讲解阻尼减振技术，包括结构阻尼、粘滞阻尼、材料阻尼等，并介绍减振器的设计与选型。主动减振技术是现代机械工程的研究热点，本章将介绍几种主流的主动减振方法，例如：基于反馈控制的主动隔振系统，通过传感器检测振动信号并由执行器产生反向力来抵消振动；以及基于模型预测的主动减振控制，利用系统模型预测未来振动趋势并提前采取控制措施。 此外，本章还将介绍动力吸振器（Tuned Mass Damper, TMD）的设计与应用，它通过引入一个附加的振动系统来吸收原系统的振动能量。最后，我们将讨论如何通过系统参数优化、结构改进以及与其他控制策略（如PID控制）相结合的方式，来达到更优的减振效果。 第九章 机器人动力学与控制 机器人技术是机械工程与控制科学高度融合的典范。本章将从动力学建模和控制策略两个层面，深入探讨机器人的运动学与动力学。 我们将首先回顾机器人的运动学，包括正向运动学和逆向运动学，以及雅可比矩阵在速度和力之间的关系分析中的作用。随后，本章将重点介绍机器人的动力学建模方法，特别是基于牛顿-欧拉方程和拉格朗日方程的建模技术。我们将详细讲解如何考虑机器人的连杆质量、惯量、科氏力、离心力以及关节摩擦等复杂因素，建立高精度的机器人动力学模型。 在机器人控制方面，本章将介绍多种控制策略。我们将重点讲解基于PID的机器人关节控制，以及如何针对机器人系统特性进行参数整定。此外，本章还将深入探讨先进的机器人控制方法，例如：基于模型的前馈-反馈复合控制，它利用动力学模型进行前馈补偿，并辅以反馈控制来提高跟踪精度；以及鲁棒控制和自适应控制技术，用于应对模型不确定性和外部干扰。 最后，本章还将简要介绍机器人路径规划与轨迹生成的基本概念，以及如何在动力学模型的基础上实现平滑、高效的机器人运动。 第十章 机械系统的故障诊断与容错控制 随着机械系统日益复杂和集成化程度的提高，其可靠性与安全性变得尤为重要。本章将关注机械系统的故障诊断与容错控制技术。 我们将首先介绍故障诊断的基本原理和方法。通过对系统运行数据的监测和分析，如传感器信号、运行参数等，识别潜在的故障。我们将讨论基于模型的方法（例如，利用残差分析和状态估计）和基于数据驱动的方法（例如，机器学习和模式识别）在故障诊断中的应用。 容错控制的目标是在系统发生故障时，仍能维持系统的基本功能或以降低的性能继续运行。本章将介绍几种主要的容错控制策略，包括：重构控制（通过改变控制器结构或参数来适应故障）；冗余控制（利用冗余的传感器或执行器来弥补失效部件）；以及自适应控制（根据故障信息动态调整控制参数）。 我们将通过实例，例如在伺服系统中，当电机发生堵转或传感器失效时，如何通过容错控制策略来保证系统的安全运行。此外，本章还将探讨故障预测技术，其目标是在故障发生前进行预警，为维护和维修提供充足的时间，从而最大程度地减少停机时间和损失。 总结 《现代机械系统动力学与控制》是一本集理论深度与实践应用为一体的专业教材。本书在系统阐述机械系统动力学建模、线性与非线性控制理论的基础上，重点介绍了PID控制、状态空间方法、伺服系统控制、振动分析与减振控制、机器人动力学与控制以及故障诊断与容错控制等关键领域。通过丰富的案例分析和深入的原理剖析，本书旨在帮助读者建立扎实的理论基础，掌握解决复杂工程问题的能力，从而在现代机械工程领域做出卓越贡献。

评分☆☆☆☆☆

我一直认为，机械工程中的控制技术是连接理论与实践的桥梁，而一本优秀的教材和辅导书，则是帮助我们跨越这座桥梁的关键。这本书的书名“机械工程控制基础学习辅导与题解”传递出的信息，让我对它充满期待。我希望它能够清晰地梳理出控制工程的核心概念，例如系统建模、稳定性分析、频率响应和时域响应等。更重要的是，我期待它的“辅导”部分能够帮助我理解这些概念背后的物理意义，以及它们在机械系统中的具体体现。对于“题解”部分，我希望能看到丰富多样的题目，从基础概念的巩固，到复杂系统的设计与分析，都能有所涵盖。而详细的解答，不仅能告诉我“答案”，更能让我理解“过程”，甚至发现解决问题的多种途径。我希望这本书能够提供一些启发性的解题思路，教会我如何分析问题、建立模型，并最终设计出满足要求的控制器。

评分☆☆☆☆☆

第一眼看到这本书的封面，就有一种踏实的感觉。书名“机械工程控制基础学习辅导与题解”很直接地表明了它的定位，对于我这样一名在机械控制领域摸索的学生来说，这无疑是一份珍贵的“指南针”。我一直在寻找一本能够系统梳理控制理论知识，并且提供大量练习题和详细解答的书籍，因为我深知，理论的学习离不开实践的检验。翻阅目录，发现涵盖了从经典的PID控制，到现代控制理论的LQR、卡尔曼滤波等核心内容，这让我对掌握机械工程领域的控制技术充满了信心。特别是“题解”部分，是我最看重的，很多时候，理解一个概念的最佳方式就是去尝试解决与之相关的实际问题。希望这本书的题目能覆盖到考试的重点和难点，并且解答能够深入浅出，让我不仅知道“怎么做”，更能理解“为什么这样做”。我对书中提供的辅导部分也抱有很高的期待，希望它能像一位经验丰富的老师，在我学习过程中遇到瓶颈时，及时给予指导和启发。

评分☆☆☆☆☆

这本书带给我的第一印象是它的系统性和全面性。作为机械工程领域的一个分支，控制工程涉及的知识点非常庞杂，从基础的数学工具，到信号与系统，再到各种控制器设计方法，环环相扣，任何一个环节的疏漏都可能导致后续学习的困难。我特别欣赏这本书在章节编排上的逻辑性，它似乎遵循着由浅入深、循序渐进的原则，相信这能够帮助我更好地构建起完整的知识体系。更重要的是，我注意到书中不仅仅是罗列概念和公式，而是强调“辅导”和“题解”，这表明它更注重培养读者的实际应用能力。在机械工程的实际应用中，仅仅掌握理论是远远不够的，必须能够将其转化为解决实际问题的工具。因此，我非常期待书中提供的例题和习题，尤其是那些能够反映实际工程案例的题目，以及那些能够启发我思考控制器设计思路的题解。我希望能通过这本书，真正理解控制理论在机械系统中的应用，并能独立解决一些基础的控制问题。

评分☆☆☆☆☆

作为一名正在深入学习机械工程控制的学生，一本能够提供系统辅导和深入题解的书籍对我来说至关重要。这本书的名称“机械工程控制基础学习辅导与题解”让我对其内容充满了好奇与期望。我希望这本书能够清晰地讲解控制工程中的基本原理，例如传递函数、闭环系统、稳定性判据等，并能用通俗易懂的语言来阐述这些概念。尤其重要的是，我期望其中的“辅导”部分能够提供一些深入的解析，帮助我理解理论知识的内在逻辑，以及如何将其应用于解决实际的机械工程控制问题。此外，“题解”部分是我特别关注的，我希望它能够包含大量具有代表性的习题，并且解答过程详细、透彻，能够真正帮助我掌握解题技巧，并且能够举一反三，触类旁通。我希望通过这本书的学习，能够有效地巩固所学知识，提高解决实际工程问题的能力。

评分☆☆☆☆☆

对于我这样一个对控制理论感到有些吃力的学习者来说，一本好的辅导书就像黑暗中的一盏明灯。这本书的标题“学习辅导与题解”就正中我的下怀。我一直在寻找一本能够帮助我克服理解难点、巩固知识的书籍。我希望这本书的讲解风格是通俗易懂的，能够用清晰的语言解释复杂的概念，而不是简单地堆砌公式和术语。我期待的“辅导”不仅仅是知识点的梳理，更包括对易错点、难点的提示，以及如何将抽象的数学模型与具体的物理系统联系起来。而“题解”部分，我更希望它不仅仅是给出答案，而是能够提供完整的解题思路和步骤，甚至分析不同解法的优劣，让我能够触类旁通。如果书中还能包含一些实际工程中的控制案例分析，那将是锦上添花，能够帮助我更直观地理解理论知识的价值和应用场景。我希望通过这本书的学习，能够真正掌握机械工程控制的基础，为后续更深入的学习打下坚实的基础。