控制工程基礎

前言

電子信息學科是當今世界上發(fā)展最快的學科，作為眾多應用技術的理論基礎，對人類文明的發(fā)展起著重要的作用。它包含諸如電子科學與技術、電子信息工程、通信工程和微波工程等一系列子學科，同時涉及計算機、自動化和生物電子等眾多相關學科。對于這樣一個龐大的體系，想要在學校將所有知識教給學生已不可能。以專業(yè)教育為主要目的的大學教育，必須對自己的學科知識體系進行必要的梳理。本系列叢書就是試圖搭建一個電子信息學科的基礎知識體系平臺。目前，中國電子信息類學科高等教育的教學中存在著如下問題：（1）在課程設置和教學實踐中，學科分立，課程分立，缺乏集成和貫通；（2）部分知識缺乏前沿性，局部知識過細、過難，缺乏整體性和綱領性；（3）教學與實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)，知識型教學多于研究型教學，所培養(yǎng)的電子信息學科人才不能很好地滿足社會的需求。在新世紀之初，積極總結我國電子信息類學科高等教育的經驗，分析發(fā)展趨勢，研究教學與實踐模式，從而制定出一個完整的電子信息學科基礎教程體系，是非常有意義的。根據教育部高教司2003年8月28日發(fā)出的[2003]141號文件，教育部高等學校電子信息與電氣信息類基礎課程教學指導分委員會（基礎課分教指委）在2004-2005兩年期間制定了“電路分析”、“信號與系統(tǒng)”、“電磁場”、“電子技術”和“電工學”5個方向電子信息科學與電氣信息類基礎課程的教學基本要求。然而，這些教學要求基本上是按方向獨立開展工作的，沒有深入開展整個課程體系的研究，并且提出的是各課程最基本的教學要求，針對的是“2+X+Y”或者“211工程”和“985工程”之外的大學。同一時期，清華大學出版社成立了“電子信息學科基礎教程研究組”，歷時3年，組織了各類教學研討會，以各種方式和渠道對國內外一些大學的EE（電子電氣）專業(yè)的課程體系進行收集和研究，并在國內率先推出了關于電子信息學科基礎課程的體系研究報告《電子信息學科基礎教程2004》。該成果得到教育部高等學校電子信息與電氣學科教學指導委員會的高度評價，認為該成果“適應我國電子信息學科基礎教學的需要，有較好的指導意義，達到了國內領先水平”，“對不同類型院校構建相關學科基礎教學平臺均有較好的參考價值”。在此基礎上，由我擔任主編，籌建了“電子信息學科基礎課程系列教材”編委會。編委會多次組織部分高校的教學名師、主講教師和教育部高等學校教學指導委員會委員，進一步探討和完善《電子信息學科基礎教程2004》研究成果，并組織編寫了這套“電子信息學科基礎課程系列教材”。

內容概要

　　《電子信息學科基礎課程系列教材：控制工程基礎》“控制工程基礎”是電氣信息類的基礎課程。《電子信息學科基礎課程系列教材：控制工程基礎》力求貼近實際，滿足多學科交叉背景學生的教學需要，體現寬口徑的教學思想?！峨娮有畔W科基礎課程系列教材：控制工程基礎》可以作為國內重點大學電子信息學院大平臺基礎課的教材。　　《電子信息學科基礎課程系列教材：控制工程基礎》比較全面地介紹了自動控制原理的基本理論及其工程分析和設計方法，使讀者能夠清晰地建立線性反饋控制系統(tǒng)的基本原理和基本概念，學會利用時域法、頻率特性法和根軌跡法等來分析、設計自動控制系統(tǒng)?！峨娮有畔W科基礎課程系列教材：控制工程基礎》側重反映基本概念，重視基礎知識講解，強調物理概念，簡化理論推導，盡量做到深入淺出、敘述嚴密?！峨娮有畔W科基礎課程系列教材：控制工程基礎》中包含豐富的例題和習題。為強調理論和實際的聯(lián)系，收錄了一定數量的結合工程實際的例題，在離散控制系統(tǒng)一章中增加了計算機控制系統(tǒng)的實用知識。《電子信息學科基礎課程系列教材：控制工程基礎》還引入了利用計算機軟件研究控制系統(tǒng)的方法，精簡了部分手工作圖方法的技術細節(jié)，但仍然保留有價值的簡圖繪制以及利用它們分析概念性問題的方法。

作者簡介

杜繼宏，清華大學自動化系教授。中國自動化學會智能自動化專業(yè)委員會副主任委員。1966年畢業(yè)于清華大學自動控制系。長期從事控制理論與應用的教學和研究。主要研究方向為機器人控制。計算機網絡控制。智能控制等，。與同事合作編著有《現代控制理論基礎例題》?！稒C器人》?！队嬎銠C控制系統(tǒng)及應用》?！蹲詣涌刂评碚摾}習題集》和《自動控制原理》。合作翻譯《機器人學：控制。傳感器。視覺和智能》。在國內外發(fā)表學術論文近40篇。 王詩宓，清華大學自動化系教授。中國自動化學會控制理論專業(yè)委員會委員，《自動化學報》編委。1967年畢業(yè)于清華大學動力機械系，1983年獲英國曼徹斯特大學理工學院哲學博士學位。長期從事控制理論與應用的教學和研究，所負責的“自動控制理論”課程獲清華大學精品課。北京市精品課。國家精晶課稱號。主要研究方向為預測控制。容錯控制。過程控制。獨立或合作編著有《多變量控制系統(tǒng)的分析和設計》?！哆^程控制》?！断冗M過程控制》，《自動控制理論例題習題集》和《自動控制原理》。在國內外發(fā)表學術論文40余篇。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 控制系統(tǒng)的示例1.2 自動控制系統(tǒng)的基本形式1.3 對控制系統(tǒng)性能的基本要求1.4 自動控制理論的發(fā)展簡史習題第2章 控制系統(tǒng)的數學描述2.1 引言2.2 微分方程描述方法2.2 描述運動的微分方程2.2.2 非線性方程的線性化2.2.3 從原始方程組推導微分方程2.2.4 離散時間系統(tǒng)的運動方程2.3 求解微分方程的拉普拉斯變換方法2.3.1 拉普拉斯變換及性質2.3.2 逆拉普拉斯變換2.3.3 用拉普拉斯變換解微分方程2.3.4 運動模態(tài)2.4 傳遞函數描述方法2.4.1 傳遞函數2.4.2 傳遞函數的極點與零點2.4.3 極點與零點的對消2.5 閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數2.5.1 框圖2.5.2 閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數2.5.3 信號流圖2.6 基本單元2.7 衛(wèi)星通信天線定位系統(tǒng)2.8 鍋爐水位控制系統(tǒng)2.9 本章小結習題第3章 線性控制系統(tǒng)的運動3.1 引言3.2 線性系統(tǒng)的典型時間響應3.2.1 控制系統(tǒng)的典型輸入3.2.2 典型輸出響應3.3 穩(wěn)定性和勞斯判據3.3.1 運動的穩(wěn)定性3.3.2 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性3.3.3 勞斯判據3.4 穩(wěn)定系統(tǒng)響應的性能指標3.4.1 穩(wěn)態(tài)誤差3.4.2 擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差3.4.3 瞬態(tài)響應指標3.4.4 誤差積分指標3.5 一階系統(tǒng)響應的分析3.6 二階系統(tǒng)響應的分析3.6.1 標準二階系統(tǒng)的階躍響應3.6.2 標準二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應指標3.6.3 標準二階系統(tǒng)的沖激響應3.6.4 具有微分作用的二階系統(tǒng)3.7 高階系統(tǒng)的運動3.7.1 高階系統(tǒng)的二階近似3.7.2 高階系統(tǒng)運動特性的一般特征3.8 衛(wèi)星天線控制系統(tǒng)的運動分析3.9 本章小結習題第4章 頻率響應法4.1 引言4.2 頻率特性函數4.3 頻率特性函數的圖像4.3.1 伯德圖第5章 控制系統(tǒng)的頻域校正第6章 根軌跡方法及控制系統(tǒng)的校正第7章 多回路控制策略第8章 線性離散控制系統(tǒng)第9章 離散控制系統(tǒng)的校正綜合名詞索引參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第2章 控制系統(tǒng)的數學描述2.1 引言為了控制一個物理對象，首先必須對所研究的對象加以描述。在第1章，對一些被控對象的工作原理及如何施加控制作用來達到希望的目標作了定性說明。那些說明對理解被控對象的基本特性、了解控制作用的機理很有用處，但對被控系統(tǒng)中各個變量之間的數量關系并沒有給出明確的結論。為了深入研究這些系統(tǒng)并使系統(tǒng)滿足給定的要求，必須獲得描述被控對象輸入量和輸出量之間關系的數學表達式，這就是控制系統(tǒng)的數學模型。數學模型有時簡稱模型。在對各種對象進行研究時發(fā)現，盡管有些對象的物理、化學過程完全不同，但是如果在輸入端施加相同形式的信號，其輸出量的變化形式卻完全相同。就是說，盡管這些對象的物理結構和被控變量屬性不同，但卻可以采用同一個數學模型來描述。所以，建立了數學模型，會使需要加以研究的系統(tǒng)類型的數量大為下降。建模可以針對一個簡單的被控對象進行，也可以針對一個復雜的系統(tǒng)進行。一個復雜的系統(tǒng)通常由許多對象組成，所以一個系統(tǒng)的模型可以包括它的若干組成對象的子模型。

編輯推薦

《電子信息學科基礎課程系列教材?控制工程基礎》特色：力求結合實際，滿足多學科交叉背景學生的教學需要，體現寬口徑的教學思想。比較全面地介紹自動控制原理的基本理論及其工程分析和設計方法。使讀者清晰地建立線性反饋控制系統(tǒng)的基本原理和基本概念，初步學會利用時域法、頻率特性法、根軌跡法等來分析、設計自動控制系統(tǒng)。側重反映基本概念，重視基礎知識講解，強調物理概念，簡化理論推導。盡量做到深入淺出，敘述嚴密?！峨娮有畔W科基礎課程系列教材?控制工程基礎》中包含豐富的例題和習題。為強調理論和實際的聯(lián)系，收錄了一定數量的結合工程實際的例題，在離散控制系統(tǒng)一章中增加了計算機控制系統(tǒng)的實用知識?！峨娮有畔W科基礎課程系列教材?控制工程基礎》還引入了利用計算機軟件研究控制系統(tǒng)的方法，精簡了一批過時的手工作圖方法的技術細節(jié)，但仍然保留某些有價值的簡圖繪制以及利用它們分析概念性問題的方法。

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