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編輯推薦：
《自动控制原理》（第四版）与同类教材相比，具有突出的特色和改革创新点。1.将课程思政元素融进了《自动控制原理》（第四版）教材之中。2.将“新工科”和高等工程教育认证的内涵特征融入控制系统建模、分析与综合。3.突出、强化提高读者分析和解决复杂工程问题的综合能力及终身学习能力。4. 围绕“自动控制原理”课程，建立和形成了立体化教学资源。
內容簡介：
本书是根据***高等院校自动化类专业“自动控制原理”课程教学大纲和高等工程教育认证标准的要求编写的。全书从高等工程教育对人才培养的新要求出发，讨论了经典控制理论的基本概念、基本原理和基本方法，尝试将“新工科”和高等工程教育认证的内涵特征融入控制系统建模、分析与综合，致力于培养学生的创新意识、实践动手能力和解决复杂工程问题的能力。全书共九章和两个附录。九章内容包括：绪论，线性控制系统的数学模型，控制系统的时域分析，根轨迹法，控制系统的频域分法，控制系统的校正与设计，非线性控制系统，离散控制系统和直流电动机控制系统分析与综合。两个附录包括： Matlab/Simulink在控制系统分析与综合中的应用实例，自动化领域重要学术期刊、会议及文献检索工具。本书可作为自动化类、电气工程类、电子信息类、仪器仪表类等相关专业的本科生教材，也可供从事控制理论与控制工程研究、设计和应用的科技工作者参考使用。
關於作者：
教授博士生导师，现任武汉科技大学教务处处长、校长助理。博士毕业于清华大学仪器科学与技术专业。曾在香港城市大学从事1年的特区政府合作项目研究，任副研究员; ***电子信息与电气学科教学指导委员会委员;***本科教学工作水平评估专家组成员;***冶金自动化与检测技术工程研究中心负责人;***国家精品课程评审人;国家自然科学基金评审人;中国自动化学会专家咨询工作委员会委员; 美国电气与电子工程师学会会员(IEEE);英国电气工程师学会会员(IEE);日本电子情报通信学会会员EICE);中国注册自动化系统工程师(ASE);中国仪器仪表学会高级会员;中国机械工程学会高级会员;中国微米纳米技术学会理事;省级精品课程、省部级科技项目评审人;兼任IEEE Transactions、Advances in Engineering Software和American Control Conference等学术期刊和国际会议的论文评阅人。
目錄
1绪论(1)1.1控制理论的形成与发展(1)1.1.1自动控制理论阶段(3)1.1.2现代控制理论阶段(7)1.1.3智能控制理论阶段(8)1.2自动控制系统的基本概念(10)1.2.1手动控制与自动控制系统(11)1.2.2自动控制系统的基本环节(13)1.2.3自动控制系统的基本变量(14)1.2.4开环控制系统(14)1.2.5闭环控制系统(15)1.2.6复合控制系统(16)1.3自动控制系统性能的基本要求(17)1.3.1稳定性(17)1.3.2动态特性(19)1.3.3静态特性(21)1.4自动控制系统的分类(22)1.4.1线性系统与非线性系统(22)1.4.2连续系统与离散系统(23)1.4.3恒值系统与随动系统(23)1.4.4单变量系统与多变量系统(24)1.4.5确定性系统与不确定性系统(24)1.4.6集中参数系统与分布参数系统(24)1.5教学内容、课程目标与要求(24)1.5.1教学内容(24)1.5.2课程目标(25)1.5.3教学要求(26)本章小结(27)本章思维导图(27)本章习题(28)2线性控制系统的数学建模(29)2.1微分方程(29)2.1.1微分方程建模的一般步骤(29)2.1.2典型线性系统的微分方程(30)2.2传递函数(34)2.2.1传递函数的定义(34)2.2.2传递函数的基本性质(35)2.2.3典型环节的传递函数(35)2.3方框图(38)2.3.1方框图的定义(39)2.3.2方框图的等效变换(40)2.4信号流图(45)2.4.1信号流图的定义及相关术语(45)2.4.2信号流图的基本性质(46)2.4.3信号流图的绘制(46)2.4.4信号流图的梅森公式(47)2.5控制系统的典型传递函数(48)2.5.1系统的开环传递函数(49)2.5.2系统的闭环传递函数(49)2.5.3系统的误差传递函数(50)本章小结(50)本章思维导图(52)本章习题(52)自动控制原理(第四版)目录3控制系统的时域分析(56)3.1典型输入信号(56)3.2线性定常系统的时域响应与性能指标(58)3.2.1线性定常系统的时域响应(58)3.2.2控制系统时域响应的性能指标 (58)3.3一阶系统的时域响应(59)3.3.1一阶系统的单位阶跃响应(59)3.3.2一阶系统的单位脉冲响应(60)3.3.3线性定常系统的重要特性(61)3.4二阶系统的时域响应(61)3.4.1二阶系统的数学模型(61)3.4.2二阶系统的单位阶跃响应(62)3.4.3二阶系统的时域响应的性能指标(65)3.4.4二阶系统的单位脉冲响应(70)3.5高阶系统的时域响应(71)3.5.1高阶系统单位阶跃响应(71)3.5.2闭环主导极点(72)3.6线性定常系统的稳定性(73)3.6.1控制系统稳定性的概念与条件(73)3.6.2线性定常系统稳定的充分必要条件(74)3.6.3劳斯稳定判据(74)3.6.4赫尔维茨稳定判据 (77)3.6.5稳定判据的应用(78)3.6.6相对稳定性和稳定裕度(80)3.7线性定常系统的稳态误差(81)3.7.1误差及稳态误差的基本概念(81)3.7.2系统稳态误差的计算(82)3.7.3动态误差系数(87)3.7.4改善系统稳态精度的途径(88)本章小结(91)本章思维导图(92)本章习题(93)4控制系统的根轨迹分析(96)4.1根轨迹的基本概念(96)4.2根轨迹方程(97)4.3常规根轨迹绘制规则(99)4.4广义根轨迹及其绘制(108)4.4.1参数根轨迹(108)4.4.2零度根轨迹(109)4.5利用根轨迹法实现系统性能分析(112)4.5.1基于根轨迹的系统稳定性分析(112)4.5.2基于根轨迹的系统稳态性能分析(113)4.5.3基于根轨迹的系统动态性能分析(113)4.5.4增加开环零、极点对根轨迹的影响(115)本章小结(115)本章思维导图(116)本章习题(117)5控制系统的频域分析(119)5.1频率特性的基本概念(119)5.1.1频率特性的定义(119)5.1.2频率特性的表示方法(121)5.2典型环节与系统的开环频率特性(124)5.2.1典型环节的频率特性(124)5.2.2系统开环频率特性(135)5.2.3*小相位系统和非*小相位系统(144)5.2.4由伯德图确定传递函数(145)5.3奈奎斯特稳定判据(146)5.3.1幅角原理(147)5.3.2奈氏判据(148)5.3.3奈氏判据在伯德图中的应用 (153)5.4控制系统的相对稳定性(154)5.4.1相位裕量(155)5.4.2增益裕量(156)5.5开环对数频率特性与相对稳定性的关系(157)5.5.1伯德原理(157)5.5.2三段频特点(158)5.6控制系统的闭环频率特性(162)5.6.1用向量法绘制闭环频率特性(162)5.6.2尼柯尔斯图(163)5.6.3非单位反馈系统的闭环频率特性(165)5.7频域性能指标与时域性能指标的关系(166)5.7.1闭环频域指标(166)5.7.2开环频域指标和时域性能指标的关系(167)5.7.3闭环频域指标与时域性能指标的关系(169)本章小结(171)本章思维导图(172)本章习题(172)6控制系统的校正与设计(175)6.1控制系统校正的概念(175)6.1.1校正方案及校正装置(175)6.1.2校正装置的应用(176)6.2常用校正装置及其特性(176)6.2.1超前校正装置(176)6.2.2滞后校正装置(178)6.2.3滞后超前校正装置(179)6.2.4PID校正装置(179)6.3基于频率法的串联校正(182)6.3.1超前校正设计(183)6.3.2滞后校正设计(184)6.3.3滞后超前校正设计(186)6.3.4按系统期望频率特性进行校正(189)6.3.5PID校正(191)6.4反馈校正及其参数确定(194)本章小结(197)本章思维导图(198)本章习题(198)7线性离散控制系统分析(201)7.1离散系统的基本概念(201)7.1.1离散控制系统(201)7.1.2离散控制系统的特点(204)7.1.3离散控制系统的研究方法(204)7.2信号的采样与保持(204)7.2.1采样过程及其数学描述(204)7.2.2采样定理(206)7.2.3信号的复现与零阶保持器(207)7.2.4采样周期的选择(209)7.3z变换理论(210)7.3.1z变换的定义(210)7.3.2z变换方法(211)7.3.3z变换基本定理(214)7.3.4z反变换(216)7.4离散控制系统的数学模型(218)7.4.1差分方程(218)7.4.2脉冲传递函数(220)7.4.3差分方程和脉冲传递函数的关系(229)7.5线性离散控制系统的分析(230)7.5.1离散控制系统的稳定性分析(230)7.5.2离散控制系统的稳态性能分析(234)7.5.3离散控制系统的动态性能分析(237)本章小结(240)本章思维导图(241)本章习题(241)8非线性控制系统(245)8.1非线性系统概述(245)8.1.1典型非线性特性(245)8.1.2非线性系统的基本特征(247)8.1.3非线性系统的分析方法及应用(248)8.2描述函数法(249)8.2.1描述函数法的基本概念(249)8.2.2典型非线性特性的描述函数(251)8.2.3用描述函数法分析非线性系统的稳定性(255)8.3相平面法(259)8.3.1相平面的基本概念(259)8.3.2相轨迹的绘制(260)8.3.3相平面分析(262)本章小结(271)本章思维导图(271)本章习题(272)9直流电动机控制系统分析与综合(274)9.1直流电机简介(274)9.2直流电动机模型及特性分析(275)9.2.1直流电动机模型(275)9.2.2直流电动机模型特性分析(276)9.3直流电动机闭环控制系统的时域分析(278)9.3.1基于调速模型讨论闭环控制与开环控制的优劣(278)9.3.2基于位置模型讨论PID闭环控制(281)9.4直流电动机闭环控制系统的频域分析(295)9.5直流电动机位置控制系统的频域综合(297)9.5.1 超前滞后控制器的设计与仿真(297)9.5.2超前滞后控制器的设计与仿真(302)9.5.3PID控制器的设计与仿真(305)9.6直流电动机离散控制系统分析(308)9.7直流电动机非线性反馈控制系统综合(310)9.7.1非线性速度反馈校正改善动态品质(310)9.7.2前向通道加入非线性环节改善动态品质(312)9.7.3用非线性切换方式改善滞后(PI)校正(313)本章小结(315)附录A“自动控制原理”OBE课程教学大纲(316)附录B自动化专业毕业要求(326)附录CMatlab/Simulink在控制系统分析与综合中的应用实例(327)附录D自动化领域重要学术期刊、会议及文献检索工具(350)参考文献(352)
內容試閱
本教材自2007年9月出版以来，已先后修订出版三次，累计重印十次，并于2012年入选“十二五”普通高等教育本科*规划教材。回望近二十载的实践与探索历程，在每位读者的厚爱与支持下，本教材伴随我们共同见证了自动控制领域在适应时代发展需求中所取得的成就。作为编者，面对日新月异的现代信息技术和高等教育高质量发展的要求，我们深感责任重大。为进一步提升教材的思想性、科学性和时代性，更好地满足新时代的教育需求，我们启动第四版修订工作。本次修订，旨在贯彻党的二十大精神和落实***《“十四五”普通高等教育本科*规划教材建设实施方案》要求，力求使新教材在新时代高等教育中发挥更专业的引领作用。为此，修订工作重点聚焦四个关键落实点。首先，落实习近平总书记有关新质生产力对高质量人才培养和高质量教材建设的新要求。本次教材修订，通过深度分析新质生产力及其高科技、高效能和高质量的内涵特征，明晰了新质生产力内涵特征与人才培养核心能力要求、人才核心能力要求与毕业要求以及毕业要求与核心课程目标之间的内在支撑关系，新教材在内容组织和呈现形式方面，更加注重培养学生的创造力、创新思维、问题解决能力和团队合作能力，力求响应新质生产力发展对创新型人才培养的核心要求。其次，落实成果导向教育（outcomebased education，OBE）理念对高质量教材建设的新要求。OBE理念强调以学生学习成果为中心，要求教材的编写不仅要传授知识，更要培养学生的创新精神、实践能力和解决复杂问题的能力。为此，新教材在内容结构设计方面，优化并补充了综合课程设计和工程实践案例，注重坚持问题导向思维，激发学生学习兴趣，增强其实践应用能力。此外，新教材在知识、能力、素质等人才培养核心要素的呈现方面，初步实现了由以教为中心向以学为中心的转变。再次，落实课程思政对高质量教材建设的新要求。教材是落实立德树人根本任务的重要载体，本次修订将思想政治教育有机融入教材内容选择、组织及呈现的全过程，使教材内容既有专业深度，又有思想高度。我们特别注重在教材中融入社会主义核心价值观、科学精神和人文关怀，通过科学家故事述说、重大科技成就展现等形式，激发学生的爱国志向，形成科学理性认同，增强其社会责任感和历史使命感，引导学生树立正确的世界观、价值观和人生观。*后，落实金课“两性一度”（高阶性、创新性、挑战度）质量标准对高质量教材建设的新要求。本次教材修订更加关注高阶能力的培养，通过呈现具有挑战性的综合课程设计、项目、策划、研究及交流等形式，让学生充分展示思考、质疑、研究、决定和沟通能力。同时，新教材通过层层递进的习题设计和工程案例分析，着力培养学生的工程素养、创新思维和批判性思维能力，使学生不仅掌握解决确定性问题的能力，还能够应对开放性问题的挑战。本次修订和增补的主要内容说明如下：增补了与自动控制技术发展相关的最新科技进展，确保学生紧跟时代步伐，把握前沿动态。将钱学森先生的著作《工程控制论》引入课堂教学，激发学生民族自豪感和爱国主义情怀。增补了与最新的人工智能相关的研究进展，旨在拓宽学生的视野。新增了本课程教学目标。精简了部分章节内容，调整了章节标题。将原5.2节和原5.3节的内容进行了合并。新增了5.5节“开环对数频率特性与相对稳定性的关系”，详细分析了控制系统的三段频特性。新增了5.7.1节“闭环频域指标”，介绍了谐振峰值、谐振频率、带宽频率、剪切速度等概念。考虑到随着计算机技术和数字信号处理技术的飞速发展，离散控制系统在实际应用中的重要性日益凸显，将原第7章“线性离散控制系统分析”与原第8章“离散控制系统”章节顺序进行了调换。删除了原9.5.1小节和原9.7节。每章新增了本章思维导图，扩充了思考题，新增了控制工程综合性练习题，并按照工程教育认证毕业要求，将练习题划分为思考题类、问题分析类、设计/开发解决方案类、综合研究类以及使用现代工具类等。新增附录A，给出了“自动控制原理”OBE课程教学大纲。新增附录B，给出了自动化专业毕业要求。对附录C“Matlab/Simulink在控制系统分析与综合中的应用实例”进行了精减。本书配套资源如下：“爱课程”在线学习平台，https://www.icourses.cn/sCourse/course_4211.html。思悟课堂（在线思考题），请扫描书中各章节对应二维码。本教材第四版由吴怀宇主编，参与本次修订的有湖南大学谭建豪，郑州大学曾庆山，三峡大学王仁明，长江大学朱清祥，武汉科技大学熊凌，河北工业大学张燕，广西大学胡立坤，中南民族大学张俊敏，武汉工程大学王后能，湖北工业大学常雨芳，武汉科技大学郑秀娟，江汉大学刘霞；武汉科技大学陈琳协助完成了部分工作。此外，第四版内容中仍然包含前三版诸多参编者的辛勤劳动成果，在本书出版之际，请允许我向所有对于本书撰写、修改、出版与选用提供过帮助与支持的同志表示衷心的感谢！本次修订工作得到了***“自动控制原理”*一流课程（教高函［2020］8号）、***首批“新工科”研究与实践项目“面向智能制造的多方协同育人模式改革与实践”（教高厅函［2018］17号）等国家教学质量工程项目的资助，在此表示衷心的感谢！由于编者水平有限，疏漏在所难免，恳请大家不吝指正，万分感激。编者2024年7月 Ⅱ自动控制原理(第四版)第四版前言
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