| 內容介紹 | |
開本：16開 紙張：膠版紙 包裝：平裝-膠訂 是否套裝：否 國際標準書號ISBN：9787111747130 作者：仲志丹 出版社：機械工業出版社 出版時間：2024年02月
"編輯推薦 本書相對傳統教材,從知識體繫到組織方式,均有較大改變。力求做到“縮減知識寬度,增加應用深度”,對知識點進行了取舍。全書共分四章,包括緒論、數學模型、時域分析與設計、頻域分析與設計,並以一個垂直起降繫統項目從始至終貫穿整個知識體繫。 內容簡介 本書相對傳統教材,從知識體繫到組織方式,均有較大改變。力求做到“縮減知識寬度,增加應用深度”,對知識點進行了取舍。全書共分四章,包括緒論、數學模型、時域分析與設計、頻域分析與設計,並以一個垂直起降繫統項目從始至終貫穿整個知識體繫。本書將繫統設計校正內容分別直接融入時域和頻域部分,在性能指標分析基礎上直接應用所學知識點進行繫統的設計與校正,強化繫統分析與繫統設計的內在邏輯關繫。
本書適合作為本科院校機械類、測控技術與儀器等相關專業的“控制工程基礎”等課程的教材,也可作為高職高專等相關專業課程的教材,還可供有關工程技術人員參考。 目錄 前言
第1章緒論1
11問題引入1
12反饋控制的基本概念及發展歷程3
121“控制”在人類社會中的存在3
122經典控制(20世紀50年代之前)4
123現代控制(20世紀50年代之後)6
13反饋控制繫統的結構及工作原理7
131垂直起降繫統的結構組成7
132開環控制繫統與閉環控制繫統10
14反饋控制繫統的分類與基本性能要求11
141反饋控制繫統分類11
142反饋控制繫統的基本性能要求13
143設計步驟14前言
第1章緒論1
11問題引入1
12反饋控制的基本概念及發展歷程3
121“控制”在人類社會中的存在3
122經典控制(20世紀50年代之前)4
123現代控制(20世紀50年代之後)6
13反饋控制繫統的結構及工作原理7
131垂直起降繫統的結構組成7
132開環控制繫統與閉環控制繫統10
14反饋控制繫統的分類與基本性能要求11
141反饋控制繫統分類11
142反饋控制繫統的基本性能要求13
143設計步驟14
15本書的內容及結構體繫15
16項目一:垂直起降繫統搭建16
161項目內容與要求16
162垂直起降繫統16
163反饋控制21
本章小結22
習題與項目思考23
第2章數學模型24
21問題引入24
22繫統微分方程的建立25
23線性繫統27
231線性時不變繫統27
232非線性繫統的局部線性化方法28
24拉普拉斯變換29
241拉氏變換的定義29
242典型時間函數的拉氏變換30
243拉氏變換的性質32
244拉氏反變換35
25傳遞函數38
251傳遞函數的定義38
252傳遞函數的零點和極點39
253典型環節的傳遞函數39
26控制繫統框圖及簡化40
261繫統框圖的組成40
262繫統的連接方式及等效變換41
263繫統框圖變換法則42
27信號流圖與梅森公式44
271信號流圖44
272梅森公式46
28項目二:垂直起降繫統的數學模型建立47
281項目內容與要求47
282理論分析47
283電動機螺旋槳數學模型47
284懸臂繫統數學模型48
285垂直起降繫統數學模型48
本章小結49
習題與項目思考49
第3章時域分析與設計51
31問題引入51
32時間響應組成及典型輸入信號52
321時間響應組成52
322典型輸入信號52
33一階繫統的階躍響應分析54
331一階繫統的數學模型54
332一階繫統的單位階躍響應55
333一階繫統的性能指標56
34二階繫統的階躍響應分析57
341二階繫統的數學模型57
342二階繫統的單位階躍響應58
343二階欠阻尼繫統的性能指標60
35高階繫統的階躍響應分析65
36控制繫統的穩定性分析66
361穩定性的含義66
362穩定性評判標準67
363勞斯判據69
37控制繫統的穩態誤差分析73
371誤差與偏差73
372繫統的類型74
373穩態誤差的計算分析75
38PID控制規律78
381P控制(比例控制)78
382PD控制(比例加微分控制)80
383PI控制(比例加積分控制)81
384PID控制(比例加積分加微分控制)81
39項目三:垂直起降繫統的時域設計82
391項目內容和要求82
392垂直起降繫統比例控制繫統設計82
393垂直起降繫統比例加微分控制器設計92
394垂直起降繫統比例加積分控制器設計94
本章小結96
習題與項目思考97
第4章頻域分析與設計99
41問題引入99
42頻率特性100
421頻率響應100
422頻率特性101
423頻率特性的求法102
424頻率特性的表示方法104
43頻率特性圖形表示方法104
431對數坐標圖(伯德圖)104
432典型環節的伯德圖105
433開環伯德圖的繪制112
434最小相位繫統116
435極坐標圖(奈奎斯特圖)117
436典型環節的奈奎斯特圖117
437奈奎斯特圖的繪制121
44頻率穩定性分析127
441奈奎斯特穩定判據127
442伯德穩定判據130
45相對穩定性132
451相位裕度132
452幅值裕度132
46頻域性能指標135
461閉環頻率特性135
462頻域性能指標136
47項目四:垂直起降繫統的頻域設計138
471項目內容和要求138
472垂直起降繫統的頻域設計138
本章小結142
習題與項目思考142
附錄垂直起降繫統角度控制代碼(PID控制規律)144
參考文獻150 前言 前言
“控制工程基礎”是機械類專業的學科基礎課,目標是培養學生使用控制理論解決實際復雜機電控制工程問題的能力。但是本課程長期存在著的突出問題是理論與實踐脫節,學生上課之前以為是工程學,上課一翻書發現全是數學,理解以後覺得像哲學,真用的時候發現其實是玄學。大部分學生把本課程當作數學課學習,最終停留在會做題、能考試的水平上,幾乎沒有學生能夠從繫統層面理解並進一步使用控制理論解決實際機電控制問題。
近年來受建構主義學習理論、以學生為中心理念等的影響,國際工程科技人纔培養的教學方法發生了根本性的轉變。本書編寫團隊長期堅持項目制教學改革與實踐,借鋻歐林工學院、麻省理工學院、燕山大學、粵港機器人學院等國內外高校的新工科改革經驗,全面踐行“以主動學習為根本、以目標為導向、以真實問題為基礎”的理念,轉換教學方式,強調以學生為本,關注學生的學習方式和學習內容,把學生真正置於工程教育活動的中心。本書編寫團隊主講的“控制工程基礎”課程先後獲得國家級一流本科課程,以及河南省專創融合特色示範課程、課程思政樣板課程等榮譽。前言
“控制工程基礎”是機械類專業的學科基礎課,目標是培養學生使用控制理論解決實際復雜機電控制工程問題的能力。但是本課程長期存在著的突出問題是理論與實踐脫節,學生上課之前以為是工程學,上課一翻書發現全是數學,理解以後覺得像哲學,真用的時候發現其實是玄學。大部分學生把本課程當作數學課學習,最終停留在會做題、能考試的水平上,幾乎沒有學生能夠從繫統層面理解並進一步使用控制理論解決實際機電控制問題。
近年來受建構主義學習理論、以學生為中心理念等的影響,國際工程科技人纔培養的教學方法發生了根本性的轉變。本書編寫團隊長期堅持項目制教學改革與實踐,借鋻歐林工學院、麻省理工學院、燕山大學、粵港機器人學院等國內外高校的新工科改革經驗,全面踐行“以主動學習為根本、以目標為導向、以真實問題為基礎”的理念,轉換教學方式,強調以學生為本,關注學生的學習方式和學習內容,把學生真正置於工程教育活動的中心。本書編寫團隊主講的“控制工程基礎”課程先後獲得國家級一流本科課程,以及河南省專創融合特色示範課程、課程思政樣板課程等榮譽。
本書相對傳統教材,從知識體繫到組織方式均有較大改變。本書共四章,包括緒論、數學模型、時域分析與設計、頻域分析與設計,並以一個垂直起降繫統項目從始至終貫穿整個知識體繫。本書將繫統設計校正內容分別直接融入時域和頻域部分,在性能指標分析的基礎上直接應用所學知識點進行繫統的設計與校正,強化繫統分析與繫統設計的內在邏輯關繫。
傳統《控制工程基礎》教材是在前人探索的基礎上,對控制理論進行體繫化的綜合凝練,目標是在較短時間內讓學生掌握完備的控制理論學科知識體繫。它們大多在使學生完成時域分析和頻域分析學習之後再進行繫統綜合設計與校正的學習,割裂了繫統分析與繫統設計的關繫。傳統教材的教授方法是一個從部分到整體的邏輯,開始是給定一個局部的高度抽像的數學模型,要求學生分析某一個性能指標,直到最後纔進行繫統層面的綜合設計。如此學習,學生往往隻見樹木不見森林,不知道怎麼應用控制理論解決實際問題,從學生到老師,整個教學過程有時存在虎頭蛇尾的問題。而實際問題往往是一個從整體再到部分的設計順序,學生一開始就要有繫統思維,從頭開始構思、設計、實施、運行一個由機械、電子、計算機、控制理論等多學科知識綜合起來的完整控制繫統。因此傳統教材的知識體繫和教授順序並不符合解決實際問題的要求,導致學生面對實際工程問題時摸不著頭緒,不知如何下手解決。
本書的目標是培養學生解決復雜機電控制工程問題的綜合能力和繫統思維,給學生賦能,實現知識、能力、素質的有機融合,不追求理論體繫的完備性,而是力求“縮減知識寬度,增加應用深度”,對知識點進行了取舍。本書從學生主體認知特點出發,緊密圍繞垂直起降控制繫統這一具體的項目設計,繫統梳理知識體繫邏輯,圍繞真實的工程實踐場景優化知識體繫、工具方法,把課程內容集中在典型對像、典型繫統、典型方法、典型軟件上,構建以實際項目為鏈條的節點化、關聯化的教材知識結構體繫,形成一個有機整體。課程使用單一項目貫穿授課過程,並將其從簡單到復雜分解為4個階段性子項目,既有效降低了學生認知負荷,又使學生能夠深入掌握解決實際問題的能力。
教師和學生圍繞項目實踐進行以學生為中心的教學方法改革。干中學、學中干,學以致用,用以促學,學用相長,把知識、能力、素養素等內容切實融合落地。學生聚焦一個精心設計的具體項目,綜合應用機械、電子、計算機、控制等多學科知識進行一種創造性的課程學習,在解決實際控制工程問題的過程中建立自信,並獲得能毫無畏懼地面臨未來新的挑戰的能力。
本書在組織方式上,從整體到每一個章節,均是一種翻轉式的學習過程。以整本書為例,在第1章緒論就指導學生實現一個完整的實現垂直起降功能的負反饋比例控制繫統,學生雖然不知道如何進行量化分析和設計一個控制繫統,但是能夠建立繫統層面的整體認知,在實踐中建立控制繫統的初步印像,然後帶著明確的問題進行後續的知識學習。在各章節具體內容的設置上,也是首先通過“問題引入”一節提出實際工程問題及本章相關知識要點,使學生在學習過程中帶著問題學習。在學習完本章理論知識之後,學生能夠通過“項目”一節將相關知識及時應用起來。從提出問題到解決問題,形成一個知識學習閉環,有利於理論知識的消化吸收和工程能力的培養。
本書第1章緒論部分結合四旋翼無人機項目介紹控制繫統組成和工作原理等,並搭建項目實驗平臺。在第2章學習數學建模方法和工具之後,結合項目進行具體理論建模。在第3章學習時域分析方法、時域指標和時域設計方法後,結合項目學習參數辨識方法和時域分析設計流程。在第4章學習頻域分析相關知識和工具之後,結合項目在時域和頻域進行綜合設計與校正。
本書的課程項目是從具體工程項目中簡化提煉而形成的,實踐難度大大降低,但能夠體現控制工程的幾乎全部理論知識,並能培養MATLAB、EDA等先進工具的應用能力,還能將學生前期學習的數學、機械、電子電路、程序設計等知識應用起來。課程項目作為課程實踐環節,由負反饋控制、數學模型、基本控制規律、綜合與校正四個部分組成,配合全書的四個章節,在教學安排上可以采用課內課外相結合的形式進行。課內實踐學時主要講解項目內容與要求,課外實踐可以以小組形式進行項目實施,並可以組織項目答辯。學時安排建議:在總學時32學時情況下,理論學時26學時,實踐學時6學時;在總學時64學時情況下,理論學時48學時,實踐學時16學時。
本書由河南科技大學仲志丹擔任主編,龐曉旭和楊芳擔任副主編,何奎和張壯雅參與編寫。具體分工如下:第1章由仲志丹、何奎編寫,第2章由仲志丹、楊芳編寫,第3章由仲志丹、張壯雅編寫,第4章由仲志丹、龐曉旭編寫,項目案例全部由何奎編寫。
燕山大學孔祥東教授為本書主審,在此對孔教授的支持和幫助表示由衷的感謝!同時,在編寫過程中,編者參考和引用了一些文獻內容,在此也謹向這些文獻作者表示謝意。
由於編者水平有限,書中難免有疏漏和不妥之處,敬請廣大讀者批評指正。
編者
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