機械工程式控制制基礎

根據型科辦，適械類專業需編。講述械程式控制制基、析綜合及械程際，包括容：械程式控制制基概念、研究務；系統模型基概念及建，氏換，傳遞函框圖求取、簡化演算；典型系統域析、指標及系統誤差分析方法；機電系統的頻域分析方法；判別線性系統穩定性的基本概念和常用判據；系統的綜合與校正的常用方法；根軌跡分析法等。

適普院校械類專業，既材，供技術參考。

章緒論

1.1概述1

1.2自動控制系統的分類及基本要求3

1.2.1自動控制系統的分類3

1.2.2自動控制系統的基本要求5

1.3反饋控制系統的基本組成6

1.4機械控制工程的研究對象8

1.5控制理論的發展9

1.6課程的主要內容13

1.7生活中的幾個實例13

小結16

習題16

第2章系統的數學模型17

2.1系統的微分方程17

2.1.1線性微分方程17

2.1.2建立微分方程的步驟和方法18

2.1.3非線性微分方程的線性化處理20

2.2拉普拉斯變換與反變換21

2.2.1拉氏變換的定義21

2.2.2典型函數的拉氏變換21

2.2.3拉氏變換的基本定理23

2.2.4拉氏反變換26

2.2.5用拉氏變換與反變換求解常係數線性微分方程29

2.3傳遞函數31

2.3.1傳遞函數的定義31

2.3.2傳遞函數的零點與極點32

2.3.3典型環節的傳遞函數33

2.4系統的傳遞函數方框圖及其簡化41

2.5反饋控制系統的傳遞函數46

2.6相似原理49

2.7工程中典型機電液系統傳遞函數的建立51

2.8數學模型的Matlab描述52

習題61第3章系統的時域分析65

3.1時域響應及典型輸入信號65

3.1.1時域響應65

3.1.2典型輸入信號66

3.2一階系統的時域響應68

3.2.1一階系統的單位階躍響應68

3.2.2一階系統的單位脈衝響應69

3.2.3一階系統的單位斜坡響應70

3.3二階系統的時域響應71

3.3.1典型二階系統的數學模型71

3.3.2二階系統的單位階躍響應73

3.3.3二階系統的單位脈衝響應75

3.4瞬態響應的性能指標77

3.5高階系統的時域響應83

3.5.1高階系統的時間響應分析83

3.5.2高階系統的簡化84

3.6控制系統的誤差分析與計算85

3.6.1穩態誤差的基本概念85

3.6.2輸入引起的穩態誤差86

3.6.3干擾引起的穩態誤差89

3.6.4減少系統誤差的途徑92

3.7用Matlab分析時域響應93

3.8實例分析98

習題99

第4章控制系統的頻率特性分析103

4.1頻率特性的基本概念103

4.1.1頻率響應與頻率特性103

4.1.2頻率特性的求取方法106

4.2頻率特性的極坐標圖109

4.2.1極坐標圖的基本概念109

4.2.2典型環節的極坐標圖110

4.2.3極坐標圖的一般畫法114

4.3頻率特性的對數坐標圖119

4.3.1對數坐標圖的基本概念119

4.3.2典型環節的對數坐標圖120

4.3.3對數坐標圖的一般畫法126

4.3.4用幅頻特性曲線求系統傳遞函數130

4.4頻率特性的特徵量135

4.5最小相位系統與非最小相位系統136

4.5.1最小相位系統與非最小相位系統136

4.5.2產生非最小相位的典型環節138

4.6用Matlab進行頻域分析138

4.7實例: 電液位置伺服控制系統141

習題143

第5章系統的穩定性分析145

5.1系統穩定性的基本概念及穩定的條件145

5.1.1系統穩定性的基本概念145

5.1.2系統穩定的充分必要條件147

5.2代數穩定性判據148

5.2.1勞斯穩定性判據148

5.2.2赫爾維茨穩定性判據153

5.3Nyquist(奈奎斯特)穩定性判據154

5.3.1Nyquist穩定性判據的數學基礎154

5.3.2Nyquist穩定性判據156

5.4Bode(伯德)穩定性判據163

5.4.1Nyquist圖和Bode圖的對應關係163

5.4.2穿越的概念164

5.4.3Bode判據165

5.5系統的相對穩定性167

5.5.1相位裕度167

5.5.2幅值裕度168

5.6用Matlab分析系統的穩定性170

5.7實例: 電液位置伺服控制系統穩定性分析175

習題176

第6章系統的性能分析與校正178

6.1系統的性能指標178

6.1.1時域性能指標178

6.1.2頻域性能指標179

6.1.3綜合性能指標(誤差準則)180

6.2系統的校正182

6.3串聯校正183

6.3.1相位超前校正183

6.3.2相位滯后校正187

6.3.3滯后超前校正191

6.4PID校正193

6.4.1P調節器194

6.4.2PD調節器194

6.4.3PI調節器196

6.4.4PID調節器197

6.5反饋校正與順饋校正198

6.5.1反饋校正198

6.5.2順饋校正201

6.6用Matlab對系統進行校正202

習題208

第7章根軌跡法210

7.1根軌跡概述210

7.1.1根軌跡概念210

7.1.2根軌跡方程、相角條件及幅值條件212

7.2繪製根軌跡的基本規則215

7.3廣義根軌跡224

7.3.1參數根軌跡224

7.3.2零度根軌跡226

7.3.3滯后系統的根軌跡228

7.4根軌跡分析法 230

7.4.1主導極點與偶極子230

7.4.2系統性能的定性分析232

習題233

參考文獻236

1緒論1

1.1機械設計基礎課程的研究對象及內容1

1.1.1機械設計基礎課程的研究對象1

1.1.2機械設計基礎課程學習的內容、特點和任務3

1.2機械設計的基本要求和一般程序4

1.2.1機械設計的基本要求4

1.2.2機械設計的主要內容5

1.2.3機械設計的一般程序6

1.3機械零件的主要失效形式和設計準則6

1.3.1機械零件的主要失效形式6

1.3.2機械零件的設計準則7

1.3.3機械零件設計的一般步驟8

習題8

2平面機構的結構分析9

2.1運動副及其分類9

2.2平面機構的運動簡圖10

2.2.1構件的分類及其表示方法10

2.2.2機構運動簡圖11

2.3平面機構的自由度13

2.3.1自由度13

2.3.2平面機構自由度計算公式13

2.3.3計算平面機構自由度時的注意事項14

2.3.4機構具有確定運動的條件16

習題17

3平面連桿機構19

3.1概述19

3.2平面四桿機構的基本類型及其演化20

3.2.1鉸鏈四桿機構的基本類型20

3.2.2鉸鏈四桿機構的演化23

3.3平面四桿機構的基本特性26

3.3.1平面四桿機構的運動特性26

3.3.2平面四桿機構的傳力特性29

3.4平面四桿機構的圖解法設計31

習題34

4凸輪機構36

4.1凸輪機構的應用和分類36

4.1.1凸輪機構的組成36

4.1.2凸輪機構的應用36

4.1.3凸輪機構的分類37

4.2凸輪機構從動件常用的運動規律41

4.2.1凸輪機構中的相關名詞術語41

4.2.2凸輪機構從動件常用的運動規律41

4.2.3凸輪機構從動件運動規律的選擇45

4.3盤形凸輪輪廓曲線的設計45

4.3.1圖解法設計盤形凸輪輪廓曲線的基本原理45

4.3.2圖解法設計盤形凸輪輪廓曲線46

4.4凸輪機構設計應注意的問題49

4.4.1凸輪機構壓力角49

4.4.2凸輪基圓半徑的確定50

4.4.3滾子半徑的確定51

習題52

5間歇運動機構及其他機構54

5.1棘輪機構54

5.1.1棘輪機構的工作原理及特點54

5.1.2棘輪機構的主要參數55

5.2槽輪機構56

5.2.1槽輪機構的工作原理及特點56

5.2.2槽輪機構的主要參數57

5.3螺旋機構58

5.4不完全齒輪機構60

5.5凸輪式間歇運動機構61

習題62

6連接63

6.1鍵連接63

6.1.1平鍵連接63

6.1.2花鍵連接66

6.2銷連接67

6.3螺紋連接67

6.3.1螺紋形成原理、類型和主要參數67

6.3.2螺旋副的受力分析、效率和自鎖69

6.3.3螺紋連接及螺紋連接件70

6.3.4螺紋連接的預緊和防松73

習題75

7帶傳動76

7.1帶傳動概述76

7.1.1帶傳動的組成及類型76

7.1.2帶傳動的特點及應用78

7.1.3V帶的結構和規格78

7.1.4帶傳動的主要幾何參數80

7.2帶傳動的工作能力分析81

7.2.1帶傳動的受力分析81

7.2.2帶傳動的運動分析82

7.2.3帶的應力分析82

7.3普通V帶傳動設計83

7.3.1帶傳動的主要失效形式和設計準則83

7.3.2普通V帶傳動設計計算和參數選擇83

7.4V帶帶輪的結構88

7.5帶傳動的張緊裝置及維護89

習題91

8齒輪傳動92

8.1齒輪傳動概述92

8.1.1齒輪傳動的特點92

8.1.2齒輪傳動的類型93

8.2齒廓嚙合基本定律95

8.3漸開線齒廓及其嚙合特性96

8.3.1漸開線的形成及特性96

8.3.2漸開線齒廓齒輪的嚙合特性97

8.4標準直齒圓柱齒輪機構98

8.4.1直齒圓柱齒輪各部分的名稱及代號98

8.4.2直齒圓柱齒輪的基本參數99

8.4.3漸開線標準直齒圓柱齒輪的幾何尺寸101

8.4.4直齒圓柱齒輪的嚙合傳動101

8.5漸開線齒輪的切齒原理及變位齒輪104

8.5.1仿形法105

8.5.2范成法105

8.5.3漸開線齒廓的根切現象107

8.5.4變位齒輪108

8.6斜齒圓柱齒輪機構109

8.6.1斜齒圓柱齒輪的齒廓曲面及其特點109

8.6.2斜齒圓柱齒輪的基本參數及尺寸計算109

8.6.3一對斜齒圓柱齒輪嚙合傳動111

8.6.4斜齒圓柱齒輪的當量齒輪112

8.7直齒圓錐齒輪機構113

8.7.1直齒圓錐齒輪的齒廓113

8.7.2直齒圓錐齒輪各部分名稱及基本參數113

8.7.3直齒圓錐齒輪的背錐和當量齒輪114

8.8輪齒的失效和齒輪材料115

8.8.1輪齒的失效形式116

8.8.2齒輪材料117

8.9齒輪強度計算120

8.9.1直齒圓柱齒輪傳動的強度計算120

8.9.2斜齒圓柱齒輪傳動的強度計算124

8.9.3直齒圓錐齒輪傳動的強度計算128

8.10蝸桿傳動129

8.10.1蝸桿傳動的特點和類型129

8.10.2普通圓柱蝸桿傳動的基本參數及幾何尺寸計算131

8.10.3蝸桿傳動的相對滑動速度、失效形式和材料選擇135

8.10.4蝸桿傳動的強度計算136

8.10.5蝸桿傳動的熱平衡計算137

8.11齒輪、蝸桿及蝸輪的結構及潤滑138

8.11.1齒輪結構138

8.11.2蝸桿及蝸輪結構140

8.11.3齒輪傳動和蝸桿傳動的潤滑141

習題142

9輪系144

9.1輪系的分類144

9.2輪系傳動比的計算145

9.2.1定軸輪系傳動比的計算145

9.2.2周轉輪系傳動比的計算147

9.2.3混合輪系傳動比的計算149

9.3輪系的應用149

習題151

10軸承153

10.1概述153

10.2滑動軸承的結構型式154

10.2.1向心滑動軸承154

10.2.2推力滑動軸承156

10.3滑動軸承的材料和軸瓦結構156

10.3.1滑動軸承材料156

10.3.2軸瓦的結構157

10.4滾動軸承結構、類型、代號及選用157

10.4.1滾動軸承的結構157

10.4.2滾動軸承的類型158

10.4.3滾動軸承的代號161

10.4.4滾動軸承的選用163

10.5滾動軸承的失效形式及壽命計算163

10.5.1主要失效形式163

10.5.2滾動軸承壽命164

10.5.3角接觸球軸承和圓錐滾子軸承的軸向載荷(FA)計算167

10.6滾動軸承的組合設計、潤滑與密封169

10.6.1滾動軸承的組合設計169

10.6.2滾動軸承的潤滑和密封172

習題174

11軸176

11.1軸的類型和材料176

11.1.1軸的類型176

11.1.2軸的材料177

11.2軸的結構設計178

11.2.1軸上零件定位179

11.2.2各軸段直徑和長度的確定180

11.2.3軸的結構工藝性要求181

11.2.4軸的強度要求181

11.3軸的強度計算182

11.3.1按扭轉強度估算最小軸徑183

11.3.2按彎扭合成強度計算183

11.3.3軸設計時應注意的事項189

習題190

12聯軸器、離合器191

12.1聯軸器191

12.1.1剛性聯軸器191

12.1.2彈性聯軸器194

12.2離合器195

習題 196

13互換性與測量技術基礎知識197

13.1概述197

13.1.1互換性及其作用197

13.1.2公差與檢測198

13.1.3標準化與優先數系199

13.2孔、軸的極限與配合199

13.2.1基本術語及其定義200

13.2.2極限值201

13.2.3配合203

13.2.4基準制及其選擇210

13.2.5常用和優先用公差帶與配合211

13.2.6公差與配合在圖樣上的標註213

13.3幾何公差214

13.3.1概述214

13.3.2幾何公差的標註和公差帶215

13.3.3幾何公差的選擇226

13.4表面粗糙度228

13.4.1表面粗糙度對零件使用性能的影響228

13.4.2表面粗糙度的評定229

13.4.3表面粗糙度符號及其標註230

13.4.4表面粗糙度的選擇231

13.5典型零件的公差與配合232

13.5.1平鍵連接的互換性232

13.5.2滾動軸承的互換性233

13.5.3齒輪傳動的精度及互換性237

13.5.4綜合舉例244

習題248

14機械系統運動方案設計249

14.1概述249

14.1.1機械系統設計的概念 249

14.1.2機械運動方案設計的過程和內容250

14.2功能原理設計250

14.2.1功能原理設計的構思與選擇250

14.2.2功能原理的創造性設計 253

14.2.3執行系統的運動規律設計 254

14.3執行機構型式設計255

14.3.1執行機構型式設計的原則255

14.3.2機構的選型 256

14.3.3機構的構型257

14.4執行系統協調設計261

14.5總體方案評價與決策263

14.6機械傳動系統方案設計 264

習題267

參考文獻268