本教材主要面向機(jī)械類、機(jī)器人類及其他非控制專業(yè)本科生,內(nèi)容包括控制的基本概念、發(fā)展歷程,控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型、時域瞬態(tài)響應(yīng)分析、誤差分析和計算、頻率特性、穩(wěn)定性分析、綜合與校正,以及各章相關(guān)的MATLAB仿真。
本教材以機(jī)電系統(tǒng)作為主要控制對象,對其數(shù)學(xué)模型和時域、頻域分析綜合進(jìn)行重點(diǎn)介紹;著重基本概念的建立和解決機(jī)電控制問題的基本方法的闡明,簡化或略去了與機(jī)電工程距離較遠(yuǎn)、較艱深的嚴(yán)格數(shù)學(xué)推導(dǎo)內(nèi)容;引入和編寫了較多的例題和習(xí)題,便于自學(xué)。
本教材融入了智能制造和智能控制的新技術(shù)內(nèi)容,可供相關(guān)領(lǐng)域的科技人員參考,也適應(yīng)拓寬專業(yè)口徑的需要,不苛求嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo),采用MATLAB現(xiàn)代仿真軟件分析和設(shè)計系統(tǒng),編寫體系符合教學(xué)規(guī)律,好教易學(xué),適合作為普通高等教育機(jī)電類相關(guān)專業(yè)控制工程課程的教材。
同時,為了配合本教材的使用,還配有多媒體課件,選用本教材的老師,可在機(jī)工教育網(wǎng)(www.cmpedu.com)以教師身份注冊后下載。
控制工程基礎(chǔ)目錄控制工程基礎(chǔ)課程已在全國各高等院校的機(jī)械類、儀器類等非控制專業(yè)普遍開設(shè),昆明理工大學(xué)將該課程確定為本科一流課程,昆明理工大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)也被確定為一流本科專業(yè),隨著學(xué)科建設(shè)的發(fā)展,我們深感自身責(zé)任的加重,于是由目前在教學(xué)線的教師總結(jié)各自多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)著手編寫了本教材。通過教材的編寫也對自身過去20多年在機(jī)電控制領(lǐng)域的教學(xué)科研工作進(jìn)行了回顧、歸納。
本教材作為一門學(xué)科基礎(chǔ)課程教材,力求闡明機(jī)械工程控制理論的基本概念,數(shù)學(xué)模型的建立,時域、頻域、穩(wěn)定性的分析,系統(tǒng)的綜合與校正。在此基礎(chǔ)上結(jié)合研究熱點(diǎn)——智能制造和智能控制,介紹當(dāng)今科技發(fā)展的新方向。
本教材作為工科課程教材,始終貫徹系統(tǒng)性思維和反饋、修正的思想,教學(xué)中積極融入思政教育,使學(xué)生樹立不斷反思、改正、提升的思想,并通過該學(xué)科的奠基人錢學(xué)森的先進(jìn)事跡,結(jié)合當(dāng)今時代的科技發(fā)展,引導(dǎo)學(xué)生建立正確的工程倫理觀,養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)作風(fēng)和職業(yè)道德,逐步樹立科技報國的家國情懷。
工科學(xué)生注重工程實(shí)踐,由于仿真技術(shù)在安全性和經(jīng)濟(jì)性的特殊優(yōu)勢,在教學(xué)過程中融入了MATLAB仿真。MATLAB作為控制工程基礎(chǔ)教學(xué)及工程實(shí)際問題分析的重要數(shù)字仿真軟件,為控制工程的學(xué)習(xí)提供了更為直觀的認(rèn)識,帶來了極大的便利。因此,在本教材相關(guān)章節(jié)中,提供了相應(yīng)的MATLAB應(yīng)用實(shí)例,方便讀者進(jìn)一步理解該章內(nèi)容。
在本教材的編寫過程中,廣泛參考了國內(nèi)外同類教材和其他有關(guān)文獻(xiàn),保持并突出以下特點(diǎn):
(1) 將機(jī)械運(yùn)動作為主要受控對象,并對其數(shù)學(xué)模型和分析綜合進(jìn)行重點(diǎn)研究。
(2) 對自控原理基本內(nèi)容表達(dá)清楚,著重基本概念的建立和解決機(jī)電控制問題的基本方法的闡明, 并簡化或略去了與機(jī)電工程距離較遠(yuǎn)、較艱深的嚴(yán)格數(shù)學(xué)推導(dǎo)內(nèi)容。
(3)融入現(xiàn)代仿真軟件MATLAB的應(yīng)用。
(4)反映智能制造和智能控制的新技術(shù)和新分析方法。
本教材由昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)團(tuán)隊編寫。其中第1章、第5章、第6章由吳濤編寫,第2章由蔡曉明、李富玉、吳濤共同編寫,第3章由李富玉編寫,第4章由蔡曉明、胡曉編寫,附錄及每章中的MATLAB仿真案例由吳濤、楊叢叢、周小華、孫家輝、李振淼編寫。全書由吳濤整理統(tǒng)稿。
本教材得到了昆明理工大學(xué)一流課程建設(shè)項目、教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“基于新工科的機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)踐”(項目編號:201702068002),“應(yīng)用型工科大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式研究與探索”(項目編號:201802202002)的經(jīng)費(fèi)資助,在此表示衷心感謝。
本教材能夠得以出版,還要感謝開來科技(深圳)有限公司李昌奎總經(jīng)理,比亞迪股份有限公司張文杰工程師的大力幫助。感謝北京科技大學(xué)郭嘯老師,山東大學(xué)李世振老師,天津大學(xué)劉源老師,昆明理工大學(xué)任偉老師提出的寶貴建議。
鑒于作者水平所限,書中難免存在不足和疏漏之處,懇請廣大讀者不吝賜教和指正,在此表示誠摯感謝。
編者
前言
第1章緒論1
1.1自動控制的基本概念1
1.2自動控制的發(fā)展歷史7
1.3自動控制系統(tǒng)的分類16
1.4自動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計仿真
工具17
1.5課程的主要內(nèi)容及學(xué)時安排19
1.6小結(jié)及習(xí)題20
第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型23
2.1系統(tǒng)的微分方程24
2.2系統(tǒng)的傳遞函數(shù)30
2.3系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖及其化簡36
2.4系統(tǒng)信號流圖及梅森(Mason)
公式47
2.5考慮擾動的反饋控制系統(tǒng)的傳遞
函數(shù)50
2.6系統(tǒng)建模實(shí)例52
2.7MATLAB中數(shù)學(xué)模型的表示及轉(zhuǎn)換55
2.8小結(jié)及習(xí)題60
第3章時間響應(yīng)分析65
3.1時間響應(yīng)及其組成65
3.2典型輸入信號66
3.3一階系統(tǒng)68
3.4二階系統(tǒng)70
3.5系統(tǒng)誤差分析與計算81
3.6Routh穩(wěn)定判據(jù)88
3.7MATLAB在線性系統(tǒng)的時域分析中的
應(yīng)用96
3.8小結(jié)及習(xí)題104
第4章頻率特性分析107
4.1頻率特性概述107
4.2頻率特性的圖示法110
4.3控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性122
4.4頻率特性法分析系統(tǒng)穩(wěn)定性127
4.5Bode(伯德)穩(wěn)定判據(jù)135
4.6穩(wěn)定裕度137
4.7MATLAB在頻域分析中的應(yīng)用139
4.8小結(jié)及習(xí)題146
第5章控制系統(tǒng)的綜合與校正150
5.1校正的基本概念150
5.2性能指標(biāo)152
5.3串聯(lián)校正156
5.4基本控制規(guī)律分析163
5.5反饋校正170
5.6用頻率法對控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合與
校正172
5.7復(fù)合校正176
5.8應(yīng)用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)校正177
5.9小結(jié)及習(xí)題190
第6章智能制造與智能控制193
6.1對智能制造的認(rèn)識193
6.2智能制造核心技術(shù)195
6.3智能控制的概念與發(fā)展199
6.4模糊控制201
6.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制202
6.6專家控制206
6.7學(xué)習(xí)控制208
6.8小結(jié)及習(xí)題211
附錄213
參考文獻(xiàn)229