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| 內容簡介： |
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本书较全面地介绍了工程控制系统一般性原理与方法，旨在强化“建模、分析、设计、实现”这一完整的工程逻辑链的训练，提升解决复杂工程问题的能力。本书分为6章：第1章为引论，以日常实例与简明推导阐述反馈调节原理，引出新颖的控制思维方式；第2章为数学模型，阐述微分方程建模的基本原理，给出数学建模的一般步骤；第3章为时域分析法，重点解决“不求响应，只根据模型参数分析系统性能”这一科学问题；第4章为频域分析法，实现用开环稳态信息分析闭环瞬态性能；第5章为控制器设计，深化工程限制因素的影响；第6章为控制系统的主要实现形式——计算机控制与离散系统。本书每章均有配套的习题，习题的内容注重知识点的消化，通过引入更多工程化内容，引导学生将理论与工程结合，切实理解原理知识。本书可作为普通高等院校电气工程、自动化等专业以及其他相关专业的教材，也可作为从事自动控制的各专业工程技术人员的参考书。本书配有以下教学资源：授课课件、讲课视频、教学大纲、自测题和答案等，欢迎选用本书作教材的教师登录www.cmpedu.com注册下载，或发邮件至jinacmp@163.com索取。
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前言第1章引论1.1控制系统及其变量1.1.1被控量与控制量1.1.2变量选择实例1.2控制问题的常规求解与局限1.2.1问题描述与求解1.2.2常规“逆函数”求解的局限性1.3反馈调节原理1.3.1系统架构与工作原理1.3.2反馈调节的优缺点1.4控制理论与技术发展概况1.4.1经典控制理论1.4.2现代控制理论本章小结习题第2章数学模型2.1代数方程与静态模型2.1.1系统与模型2.1.2静态模型2.2微分方程与动态模型2.2.1动态模型2.2.2建模实例2.3传递函数与框图2.3.1拉氏变换与传递函数2.3.2框图与化简2.3.3典型系统结构本章小结习题第3章时域分析法3.1系统响应与时域性能指标3.1.1系统响应的通用解法3.1.2时域性能指标3.2系统基本性能3.2.1极点与系统稳定性3.2.2系统稳态误差3.3系统扩展性能3.3.1低阶系统的扩展性能3.3.2高阶系统的扩展性能与降阶等效分析3.4开环零极点与闭环根轨迹3.4.1根轨迹的绘制3.4.2基于根轨迹的降阶等效与性能分析本章小结习题第4章频域分析法4.1正弦响应与频率特性4.1.1频率特性及其表示4.1.2频域分析的优点4.2开环系统的频率特性4.2.1典型环节的频率特性4.2.2开环频率特性曲线的绘制4.3基于开环频率特性的系统性能分析4.3.1频域上的系统基本性能4.3.2频域上的系统扩展性能4.4闭环频域指标与分析4.4.1闭环频域指标4.4.2闭环频域特性分析本章小结习题第5章控制器设计5.1控制问题与比例控制器5.1.1控制问题描述5.1.2比例控制器的设计5.2比例控制器的校正5.2.1校正原理5.2.2校正实例5.3PID控制器5.3.1PID控制原理5.3.2PID参数设计5.4前馈补偿器5.4.1扰动前馈补偿器5.4.2给定前馈补偿器5.4.3史密斯预估补偿器5.5双回路控制系统5.5.1双回路控制系统的组成与原理5.5.2双回路控制的应用实例5.6控制器设计的扩展问题5.6.1考虑传感器的控制系统设计5.6.2考虑非线性环节的理论分析本章小结习题第6章计算机控制与离散系统6.1离散信号基本理论6.1.1信号采样与恢复6.1.2z变换理论6.2连续系统的计算机控制6.2.1计算机控制实现原理6.2.2经典计算机控制系统6.3离散系统的分析与设计6.3.1离散系统的数学模型6.3.2离散系统的性能分析6.3.3离散系统的设计本章小结习题结束语参考文献
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自动控制技术已广泛应用于装备制造、石油化工、交通运输、日用家电等众多行业，成为推动工业文明不断升级的基础支撑技术。控制论的思想也渗透到了众多学科领域，包括人文社科领域。因此，对控制系统原理与工程设计方法的掌握成为电气工程、自动化等专业以及其他相关专业人才的基本素养。自从维纳的《控制论》、钱学森的《工程控制论》出版以来，开发了许多类似《自动控制原理》的教材，培养了无数的自动化专门人才，推动了自动控制技术的应用与发展。通过几十年的实践，“自动控制原理”成为电气工程、自动化等专业以及其他相关专业的经典必修课程。然而，随着自动控制技术不断发展以及新时代对人才素质需求的变化，近些年来师生们对“自动控制原理”课程教学中的一些困惑也趋明显。困惑之一：“自动控制原理”似乎只是一门数学应用课？既然是“原理”，讲述的就是共性的一般方法；要描述共性的方法，一定需要用数学语言与工具。问题是把“原理”讲成“数学”，还是用“数学”来讲“原理”？困惑之二：“自动控制原理”与后续的“自动控制系统”“过程控制系统”“计算机控制系统”课程是何关系？既然“原理”是共性的，在“自动控制原理”课程中呈现的描述、分析与设计的方法与后续课程如何关联？若后续课程不回应“自动控制原理”课程的共性方法，“自动控制原理”课程的生命力何在？若后续课程只是“自动控制原理”课程的实例应用，它们的存在性何在？困惑之三：新的控制理论与控制技术层出不穷，而《自动控制原理》是经典的控制内容，二者是否冲突？任何一个学科的知识体系，其基础理论与前沿发展总是要被审视与协调的两个方面，在知识爆炸年代更需要及时与慎重对待。若只是不断把新知识堆砌进来，那将是没完没了的；若只是将旧知识简单裁掉，学生素质发展的根基可能不牢。鉴于这些困惑，结合近些年的教学科研实践，作者深深感觉到“自动控制原理”源于工程也应回归工程，首先要体现它的工程属性。为了强化工程属性，一般想到增加工程实例，这是一条路径；若不将个案的工程实例与一般性的工程原理融为一体，只能起到对某些知识点的解读，工程思维方式难以建立起来，这门课的原理属性也会打折扣。从这个角度看，增加工程实例，不在于多也不在于追求工程的复杂性，而在于抽出（简化出）工程实例的主干，讲清一般原理及其在工程中的体现。工程分析方法是多样的，还要引导注重同一工程实例在不同方法下的异同比较。另外，原理属性的课既要传承经典又要渗入前沿，在知识爆炸年代更是一件两难之事。原理属性的课应提供解决问题的一般思想与方法，且这些思想与方法仍然贯穿在目前多数实际工程中，否则欠缺工程指导的现实意义。虽然知识爆炸，但是原理属性课也不应包罗万象，应关注“问题来源——为何是这个问题”“方案做法——怎样解决这个问题”“分析评估——付出什么代价”等，形成一个有机的“知识链”而不是分散的“知识点”，从中渗透出一般性的思想与方法才能有效地植入到学生头脑之中。鉴于上述思考，本书试图在以下几个方面进行一些调整，以适应新时代的要求：一是强化工程意识的养成。作为专业基础课，激发学生的工程意识是应有之义。让学生牢记研究系统实际上是在研究系统中的变量，要明晰系统中有哪些变量及变量之间是什么关系，不可只盯住推导中的符号，而忘记符号背后的工程含义——量程、量纲、可否测量、可否操作等，在工程层面上熟悉被控对象是实施自动控制的基点。通过一本书达到工程意识的养成不现实，但希望起到点化的作用。二是强化工程思维的训练。工程思维的一个基本特征是“综合性”，实际系统变化无穷，任何理论分析不可能面面俱到，需做合理简化，否则一事无成。因此，理论分析结果表面上有很大适用范围，实则会因理论分析源头的简化因素限制其范围，需要通过现代的计算机仿真手段弥补理论分析的不足。即使是理论分析，问题的解也是“多解”而不是“唯一解”。同一个系统可以有多个模型来描述，同一个问题可以有多种解决方案，同一方案可以有不同的实现参数等。只在“点”上成立的工程方案一定是脆弱的，也不可能实施。工程思维还应具有“逻辑性”，知晓问题来源，明晰方案要点，评估性价之比，以启迪学生建立全面系统、无因不果、有得有失的工程逻辑观。三是催生解决复杂工程问题的能力。重视工程属性，易陷进经验依赖，忽视理论指导。解决复杂工程问题，首先能用数学工具将工程问题抽象为科学问题；然后用数学工具以及专业领域知识分析科学问题，形成多个工程解决方案；最后将多个工程方案返回工程实际，多方评估形成可实施方案。至此完成一轮描述、分析、设计、评估、实施的研发过程，根据实施效果，可能还需要多次迭代上述研发过程。因此，熟练使用数学工具，以普适理论指导工程实践，是解决复杂工程问题能力的重要基础。鉴于此，以《工程控制原理》为名，分为经典、现代等部分，本书只涉及经典部分。尽管有所思有所行，仍恐管窥之见。希冀本书能作为电气、自动化等专业的教材，以及其他相关专业学生与工程师们的参考书，读者能感受到一些新的启发，则足哉，幸哉。错漏之处，敬请广大读者指正。在本书成稿过程中，东南大学戴先中教授、南京理工大学吴晓蓓教授、中国地质大学（武汉）陈鑫教授、广东工业大学蔡述庭教授给予了真知灼见，虽努力斧正，仍感未完全达其要领，在此向他们致以诚挚谢意。本书所有仿真图与其他插图由博士生陈子韬和袁君提供，对他们的付出表示衷心感谢。作者
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