控制工程基礎(chǔ)

前言

電子信息學(xué)科是當(dāng)今世界上發(fā)展最快的學(xué)科，作為眾多應(yīng)用技術(shù)的理論基礎(chǔ)，對(duì)人類文明的發(fā)展起著重要的作用。它包含諸如電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程、通信工程和微波工程等一系列子學(xué)科，同時(shí)涉及計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化和生物電子等眾多相關(guān)學(xué)科。對(duì)于這樣一個(gè)龐大的體系，想要在學(xué)校將所有知識(shí)教給學(xué)生已不可能。以專業(yè)教育為主要目的的大學(xué)教育，必須對(duì)自己的學(xué)科知識(shí)體系進(jìn)行必要的梳理。本系列叢書(shū)就是試圖搭建一個(gè)電子信息學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)體系平臺(tái)。目前，中國(guó)電子信息類學(xué)科高等教育的教學(xué)中存在著如下問(wèn)題：（1）在課程設(shè)置和教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)科分立，課程分立，缺乏集成和貫通；（2）部分知識(shí)缺乏前沿性，局部知識(shí)過(guò)細(xì)、過(guò)難，缺乏整體性和綱領(lǐng)性；（3）教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)，知識(shí)型教學(xué)多于研究型教學(xué)，所培養(yǎng)的電子信息學(xué)科人才不能很好地滿足社會(huì)的需求。在新世紀(jì)之初，積極總結(jié)我國(guó)電子信息類學(xué)科高等教育的經(jīng)驗(yàn)，分析發(fā)展趨勢(shì)，研究教學(xué)與實(shí)踐模式，從而制定出一個(gè)完整的電子信息學(xué)科基礎(chǔ)教程體系，是非常有意義的。根據(jù)教育部高教司2003年8月28日發(fā)出的[2003]141號(hào)文件，教育部高等學(xué)校電子信息與電氣信息類基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)（基礎(chǔ)課分教指委）在2004-2005兩年期間制定了“電路分析”、“信號(hào)與系統(tǒng)”、“電磁場(chǎng)”、“電子技術(shù)”和“電工學(xué)”5個(gè)方向電子信息科學(xué)與電氣信息類基礎(chǔ)課程的教學(xué)基本要求。然而，這些教學(xué)要求基本上是按方向獨(dú)立開(kāi)展工作的，沒(méi)有深入開(kāi)展整個(gè)課程體系的研究，并且提出的是各課程最基本的教學(xué)要求，針對(duì)的是“2+X+Y”或者“211工程”和“985工程”之外的大學(xué)。同一時(shí)期，清華大學(xué)出版社成立了“電子信息學(xué)科基礎(chǔ)教程研究組”，歷時(shí)3年，組織了各類教學(xué)研討會(huì)，以各種方式和渠道對(duì)國(guó)內(nèi)外一些大學(xué)的EE（電子電氣）專業(yè)的課程體系進(jìn)行收集和研究，并在國(guó)內(nèi)率先推出了關(guān)于電子信息學(xué)科基礎(chǔ)課程的體系研究報(bào)告《電子信息學(xué)科基礎(chǔ)教程2004》。該成果得到教育部高等學(xué)校電子信息與電氣學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)的高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為該成果“適應(yīng)我國(guó)電子信息學(xué)科基礎(chǔ)教學(xué)的需要，有較好的指導(dǎo)意義，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平”，“對(duì)不同類型院校構(gòu)建相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)教學(xué)平臺(tái)均有較好的參考價(jià)值”。在此基礎(chǔ)上，由我擔(dān)任主編，籌建了“電子信息學(xué)科基礎(chǔ)課程系列教材”編委會(huì)。編委會(huì)多次組織部分高校的教學(xué)名師、主講教師和教育部高等學(xué)校教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員，進(jìn)一步探討和完善《電子信息學(xué)科基礎(chǔ)教程2004》研究成果，并組織編寫了這套“電子信息學(xué)科基礎(chǔ)課程系列教材”。

內(nèi)容概要

　　《電子信息學(xué)科基礎(chǔ)課程系列教材：控制工程基礎(chǔ)》“控制工程基礎(chǔ)”是電氣信息類的基礎(chǔ)課程?！峨娮有畔W(xué)科基礎(chǔ)課程系列教材：控制工程基礎(chǔ)》力求貼近實(shí)際，滿足多學(xué)科交叉背景學(xué)生的教學(xué)需要，體現(xiàn)寬口徑的教學(xué)思想。《電子信息學(xué)科基礎(chǔ)課程系列教材：控制工程基礎(chǔ)》可以作為國(guó)內(nèi)重點(diǎn)大學(xué)電子信息學(xué)院大平臺(tái)基礎(chǔ)課的教材。　　《電子信息學(xué)科基礎(chǔ)課程系列教材：控制工程基礎(chǔ)》比較全面地介紹了自動(dòng)控制原理的基本理論及其工程分析和設(shè)計(jì)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(xué)會(huì)利用時(shí)域法、頻率特性法和根軌跡法等來(lái)分析、設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)?！峨娮有畔W(xué)科基礎(chǔ)課程系列教材：控制工程基礎(chǔ)》側(cè)重反映基本概念，重視基礎(chǔ)知識(shí)講解，強(qiáng)調(diào)物理概念，簡(jiǎn)化理論推導(dǎo)，盡量做到深入淺出、敘述嚴(yán)密?！峨娮有畔W(xué)科基礎(chǔ)課程系列教材：控制工程基礎(chǔ)》中包含豐富的例題和習(xí)題。為強(qiáng)調(diào)理論和實(shí)際的聯(lián)系，收錄了一定數(shù)量的結(jié)合工程實(shí)際的例題，在離散控制系統(tǒng)一章中增加了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)用知識(shí)?！峨娮有畔W(xué)科基礎(chǔ)課程系列教材：控制工程基礎(chǔ)》還引入了利用計(jì)算機(jī)軟件研究控制系統(tǒng)的方法，精簡(jiǎn)了部分手工作圖方法的技術(shù)細(xì)節(jié)，但仍然保留有價(jià)值的簡(jiǎn)圖繪制以及利用它們分析概念性問(wèn)題的方法。

作者簡(jiǎn)介

杜繼宏，清華大學(xué)自動(dòng)化系教授。中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)智能自動(dòng)化專業(yè)委員會(huì)副主任委員。1966年畢業(yè)于清華大學(xué)自動(dòng)控制系。長(zhǎng)期從事控制理論與應(yīng)用的教學(xué)和研究。主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制。智能控制等，。與同事合作編著有《現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)例題》。《機(jī)器人》?！队?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及應(yīng)用》?！蹲詣?dòng)控制理論例題習(xí)題集》和《自動(dòng)控制原理》。合作翻譯《機(jī)器人學(xué)：控制。傳感器。視覺(jué)和智能》。在國(guó)內(nèi)外發(fā)表學(xué)術(shù)論文近40篇。 王詩(shī)宓，清華大學(xué)自動(dòng)化系教授。中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)控制理論專業(yè)委員會(huì)委員，《自動(dòng)化學(xué)報(bào)》編委。1967年畢業(yè)于清華大學(xué)動(dòng)力機(jī)械系，1983年獲英國(guó)曼徹斯特大學(xué)理工學(xué)院哲學(xué)博士學(xué)位。長(zhǎng)期從事控制理論與應(yīng)用的教學(xué)和研究，所負(fù)責(zé)的“自動(dòng)控制理論”課程獲清華大學(xué)精品課。北京市精品課。國(guó)家精晶課稱號(hào)。主要研究方向?yàn)轭A(yù)測(cè)控制。容錯(cuò)控制。過(guò)程控制。獨(dú)立或合作編著有《多變量控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)》?！哆^(guò)程控制》?！断冗M(jìn)過(guò)程控制》，《自動(dòng)控制理論例題習(xí)題集》和《自動(dòng)控制原理》。在國(guó)內(nèi)外發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇。

書(shū)籍目錄

第1章 緒論1.1 控制系統(tǒng)的示例1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本形式1.3 對(duì)控制系統(tǒng)性能的基本要求1.4 自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史習(xí)題第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述2.1 引言2.2 微分方程描述方法2.2 描述運(yùn)動(dòng)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(dǎo)微分方程2.2.4 離散時(shí)間系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(zhì)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(yùn)動(dòng)模態(tài)2.4 傳遞函數(shù)描述方法2.4.1 傳遞函數(shù)2.4.2 傳遞函數(shù)的極點(diǎn)與零點(diǎn)2.4.3 極點(diǎn)與零點(diǎn)的對(duì)消2.5 閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.5.1 框圖2.5.2 閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.5.3 信號(hào)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(jié)習(xí)題第3章 線性控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)3.1 引言3.2 線性系統(tǒng)的典型時(shí)間響應(yīng)3.2.1 控制系統(tǒng)的典型輸入3.2.2 典型輸出響應(yīng)3.3 穩(wěn)定性和勞斯判據(jù)3.3.1 運(yùn)動(dòng)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(jù)3.4 穩(wěn)定系統(tǒng)響應(yīng)的性能指標(biāo)3.4.1 穩(wěn)態(tài)誤差3.4.2 擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差3.4.3 瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)3.4.4 誤差積分指標(biāo)3.5 一階系統(tǒng)響應(yīng)的分析3.6 二階系統(tǒng)響應(yīng)的分析3.6.1 標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)3.6.2 標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)3.6.3 標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)的沖激響應(yīng)3.6.4 具有微分作用的二階系統(tǒng)3.7 高階系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)3.7.1 高階系統(tǒng)的二階近似3.7.2 高階系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性的一般特征3.8 衛(wèi)星天線控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析3.9 本章小結(jié)習(xí)題第4章 頻率響應(yīng)法4.1 引言4.2 頻率特性函數(shù)4.3 頻率特性函數(shù)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(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述2.1 引言為了控制一個(gè)物理對(duì)象，首先必須對(duì)所研究的對(duì)象加以描述。在第1章，對(duì)一些被控對(duì)象的工作原理及如何施加控制作用來(lái)達(dá)到希望的目標(biāo)作了定性說(shuō)明。那些說(shuō)明對(duì)理解被控對(duì)象的基本特性、了解控制作用的機(jī)理很有用處，但對(duì)被控系統(tǒng)中各個(gè)變量之間的數(shù)量關(guān)系并沒(méi)有給出明確的結(jié)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(duì)象輸入量和輸出量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，這就是控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型有時(shí)簡(jiǎn)稱模型。在對(duì)各種對(duì)象進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡管有些對(duì)象的物理、化學(xué)過(guò)程完全不同，但是如果在輸入端施加相同形式的信號(hào)，其輸出量的變化形式卻完全相同。就是說(shuō)，盡管這些對(duì)象的物理結(jié)構(gòu)和被控變量屬性不同，但卻可以采用同一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述。所以，建立了數(shù)學(xué)模型，會(huì)使需要加以研究的系統(tǒng)類型的數(shù)量大為下降。建模可以針對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的被控對(duì)象進(jìn)行，也可以針對(duì)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行。一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)通常由許多對(duì)象組成，所以一個(gè)系統(tǒng)的模型可以包括它的若干組成對(duì)象的子模型。

編輯推薦

《電子信息學(xué)科基礎(chǔ)課程系列教材?控制工程基礎(chǔ)》特色：力求結(jié)合實(shí)際，滿足多學(xué)科交叉背景學(xué)生的教學(xué)需要，體現(xiàn)寬口徑的教學(xué)思想。比較全面地介紹自動(dòng)控制原理的基本理論及其工程分析和設(shè)計(jì)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(xué)會(huì)利用時(shí)域法、頻率特性法、根軌跡法等來(lái)分析、設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)。側(cè)重反映基本概念，重視基礎(chǔ)知識(shí)講解，強(qiáng)調(diào)物理概念，簡(jiǎn)化理論推導(dǎo)。盡量做到深入淺出，敘述嚴(yán)密?！峨娮有畔W(xué)科基礎(chǔ)課程系列教材?控制工程基礎(chǔ)》中包含豐富的例題和習(xí)題。為強(qiáng)調(diào)理論和實(shí)際的聯(lián)系，收錄了一定數(shù)量的結(jié)合工程實(shí)際的例題，在離散控制系統(tǒng)一章中增加了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)用知識(shí)。《電子信息學(xué)科基礎(chǔ)課程系列教材?控制工程基礎(chǔ)》還引入了利用計(jì)算機(jī)軟件研究控制系統(tǒng)的方法，精簡(jiǎn)了一批過(guò)時(shí)的手工作圖方法的技術(shù)細(xì)節(jié)，但仍然保留某些有價(jià)值的簡(jiǎn)圖繪制以及利用它們分析概念性問(wèn)題的方法。

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