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編輯推薦: |
本书相对传统教材,从知识体系到组织方式,均有较大改变。力求做到“缩减知识宽度,增加应用深度”,对知识点进行了取舍。全书共分四章,包括绪论、数学模型、时域分析与设计、频域分析与设计,并以一个垂直起降系统项目从始至终贯穿整个知识体系。
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內容簡介: |
本书相对传统教材,从知识体系到组织方式,均有较大改变。力求做到“缩减知识宽度,增加应用深度”,对知识点进行了取舍。全书共分四章,包括绪论、数学模型、时域分析与设计、频域分析与设计,并以一个垂直起降系统项目从始至终贯穿整个知识体系。本书将系统设计校正内容分别直接融入时域和频域部分,在性能指标分析基础上直接应用所学知识点进行系统的设计与校正,强化系统分析与系统设计的内在逻辑关系。 本书适合作为本科院校机械类、测控技术与仪器等相关专业的“控制工程基础”等课程的教材,也可作为高职高专等相关专业课程的教材,还可供有关工程技术人员参考。
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目錄:
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前言 第1章绪论1 11问题引入1 12反馈控制的基本概念及发展历程3 121“控制”在人类社会中的存在3 122经典控制(20世纪50年代之前)4 123现代控制(20世纪50年代之后)6 13反馈控制系统的结构及工作原理7 131垂直起降系统的结构组成7 132开环控制系统与闭环控制系统10 14反馈控制系统的分类与基本性能要求11 141反馈控制系统分类11 142反馈控制系统的基本性能要求13 143设计步骤14 15本书的内容及结构体系15 16项目一:垂直起降系统搭建16 161项目内容与要求16 162垂直起降系统16 163反馈控制21 本章小结22 习题与项目思考23 第2章数学模型24 21问题引入24 22系统微分方程的建立25 23线性系统27 231线性时不变系统27 232非线性系统的局部线性化方法28 24拉普拉斯变换29 241拉氏变换的定义29 242典型时间函数的拉氏变换30 243拉氏变换的性质32 244拉氏反变换35 25传递函数38 251传递函数的定义38 252传递函数的零点和极点39 253典型环节的传递函数39 26控制系统框图及简化40 261系统框图的组成40 262系统的连接方式及等效变换41 263系统框图变换法则42 27信号流图与梅森公式44 271信号流图44 272梅森公式46 28项目二:垂直起降系统的数学模型建立47 281项目内容与要求47 282理论分析47 283电动机螺旋桨数学模型47 284悬臂系统数学模型48 285垂直起降系统数学模型48 本章小结49 习题与项目思考49 第3章时域分析与设计51 31问题引入51 32时间响应组成及典型输入信号52 321时间响应组成52 322典型输入信号52 33一阶系统的阶跃响应分析54 331一阶系统的数学模型54 332一阶系统的单位阶跃响应55 333一阶系统的性能指标56 34二阶系统的阶跃响应分析57 341二阶系统的数学模型57 342二阶系统的单位阶跃响应58 343二阶欠阻尼系统的性能指标60 35高阶系统的阶跃响应分析65 36控制系统的稳定性分析66 361稳定性的含义66 362稳定性评判标准67 363劳斯判据69 37控制系统的稳态误差分析73 371误差与偏差73 372系统的类型74 373稳态误差的计算分析75 38PID控制规律78 381P控制(比例控制)78 382PD控制(比例加微分控制)80 383PI控制(比例加积分控制)81 384PID控制(比例加积分加微分控制)81 39项目三:垂直起降系统的时域设计82 391项目内容和要求82 392垂直起降系统比例控制系统设计82 393垂直起降系统比例加微分控制器设计92 394垂直起降系统比例加积分控制器设计94 本章小结96 习题与项目思考97 第4章频域分析与设计99 41问题引入99 42频率特性100 421频率响应100 422频率特性101 423频率特性的求法102 424频率特性的表示方法104 43频率特性图形表示方法104 431对数坐标图(伯德图)104 432典型环节的伯德图105 433开环伯德图的绘制112 434最小相位系统116 435极坐标图(奈奎斯特图)117 436典型环节的奈奎斯特图117 437奈奎斯特图的绘制121 44频率稳定性分析127 441奈奎斯特稳定判据127 442伯德稳定判据130 45相对稳定性132 451相位裕度132 452幅值裕度132 46频域性能指标135 461闭环频率特性135 462频域性能指标136 47项目四:垂直起降系统的频域设计138 471项目内容和要求138 472垂直起降系统的频域设计138 本章小结142 习题与项目思考142 附录垂直起降系统角度控制代码(PID控制规律)144 参考文献150
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內容試閱:
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前言 “控制工程基础”是机械类专业的学科基础课,目标是培养学生使用控制理论解决实际复杂机电控制工程问题的能力。但是本课程长期存在着的突出问题是理论与实践脱节,学生上课之前以为是工程学,上课一翻书发现全是数学,理解以后觉得像哲学,真用的时候发现其实是玄学。大部分学生把本课程当作数学课学习,最终停留在会做题、能考试的水平上,几乎没有学生能够从系统层面理解并进一步使用控制理论解决实际机电控制问题。 近年来受建构主义学习理论、以学生为中心理念等的影响,国际工程科技人才培养的教学方法发生了根本性的转变。本书编写团队长期坚持项目制教学改革与实践,借鉴欧林工学院、麻省理工学院、燕山大学、粤港机器人学院等国内外高校的新工科改革经验,全面践行“以主动学习为根本、以目标为导向、以真实问题为基础”的理念,转换教学方式,强调以学生为本,关注学生的学习方式和学习内容,把学生真正置于工程教育活动的中心。本书编写团队主讲的“控制工程基础”课程先后获得国家级一流本科课程,以及河南省专创融合特色示范课程、课程思政样板课程等荣誉。 本书相对传统教材,从知识体系到组织方式均有较大改变。本书共四章,包括绪论、数学模型、时域分析与设计、频域分析与设计,并以一个垂直起降系统项目从始至终贯穿整个知识体系。本书将系统设计校正内容分别直接融入时域和频域部分,在性能指标分析的基础上直接应用所学知识点进行系统的设计与校正,强化系统分析与系统设计的内在逻辑关系。 传统《控制工程基础》教材是在前人探索的基础上,对控制理论进行体系化的综合凝练,目标是在较短时间内让学生掌握完备的控制理论学科知识体系。它们大多在使学生完成时域分析和频域分析学习之后再进行系统综合设计与校正的学习,割裂了系统分析与系统设计的关系。传统教材的教授方法是一个从部分到整体的逻辑,开始是给定一个局部的高度抽象的数学模型,要求学生分析某一个性能指标,直到最后才进行系统层面的综合设计。如此学习,学生往往只见树木不见森林,不知道怎么应用控制理论解决实际问题,从学生到老师,整个教学过程有时存在虎头蛇尾的问题。而实际问题往往是一个从整体再到部分的设计顺序,学生一开始就要有系统思维,从头开始构思、设计、实施、运行一个由机械、电子、计算机、控制理论等多学科知识综合起来的完整控制系统。因此传统教材的知识体系和教授顺序并不符合解决实际问题的要求,导致学生面对实际工程问题时摸不着头绪,不知如何下手解决。 本书的目标是培养学生解决复杂机电控制工程问题的综合能力和系统思维,给学生赋能,实现知识、能力、素质的有机融合,不追求理论体系的完备性,而是力求“缩减知识宽度,增加应用深度”,对知识点进行了取舍。本书从学生主体认知特点出发,紧密围绕垂直起降控制系统这一具体的项目设计,系统梳理知识体系逻辑,围绕真实的工程实践场景优化知识体系、工具方法,把课程内容集中在典型对象、典型系统、典型方法、典型软件上,构建以实际项目为链条的节点化、关联化的教材知识结构体系,形成一个有机整体。课程使用单一项目贯穿授课过程,并将其从简单到复杂分解为4个阶段性子项目,既有效降低了学生认知负荷,又使学生能够深入掌握解决实际问题的能力。 教师和学生围绕项目实践进行以学生为中心的教学方法改革。干中学、学中干,学以致用,用以促学,学用相长,把知识、能力、素养、思政元素等内容切实融合落地。学生聚焦一个精心设计的具体项目,综合应用机械、电子、计算机、控制等多学科知识进行一种创造性的课程学习,在解决实际控制工程问题的过程中建立自信,并获得能毫无畏惧地面临未来新的挑战的能力。 本书在组织方式上,从整体到每一个章节,均是一种翻转式的学习过程。以整本书为例,在第1章绪论就指导学生实现一个完整的实现垂直起降功能的负反馈比例控制系统,学生虽然不知道如何进行量化分析和设计一个控制系统,但是能够建立系统层面的整体认知,在实践中建立控制系统的初步印象,然后带着明确的问题进行后续的知识学习。在各章节具体内容的设置上,也是首先通过“问题引入”一节提出实际工程问题及本章相关知识要点,使学生在学习过程中带着问题学习。在学习完本章理论知识之后,学生能够通过“项目”一节将相关知识及时应用起来。从提出问题到解决问题,形成一个知识学习闭环,有利于理论知识的消化吸收和工程能力的培养。 本书第1章绪论部分结合四旋翼无人机项目介绍控制系统组成和工作原理等,并搭建项目实验平台。在第2章学习数学建模方法和工具之后,结合项目进行具体理论建模。在第3章学习时域分析方法、时域指标和时域设计方法后,结合项目学习参数辨识方法和时域分析设计流程。在第4章学习频域分析相关知识和工具之后,结合项目在时域和频域进行综合设计与校正。 本书的课程项目是从具体工程项目中简化提炼而形成的,实践难度大大降低,但能够体现控制工程的几乎全部理论知识,并能培养MATLAB、EDA等先进工具的应用能力,还能将学生前期学习的数学、机械、电子电路、程序设计等知识应用起来。课程项目作为课程实践环节,由负反馈控制、数学模型、基本控制规律、综合与校正四个部分组成,配合全书的四个章节,在教学安排上可以采用课内课外相结合的形式进行。课内实践学时主要讲解项目内容与要求,课外实践可以以小组形式进行项目实施,并可以组织项目答辩。学时安排建议:在总学时32学时情况下,理论学时26学时,实践学时6学时;在总学时64学时情况下,理论学时48学时,实践学时16学时。 本书由河南科技大学仲志丹担任主编,庞晓旭和杨芳担任副主编,何奎和张壮雅参与编写。具体分工如下:第1章由仲志丹、何奎编写,第2章由仲志丹、杨芳编写,第3章由仲志丹、张壮雅编写,第4章由仲志丹、庞晓旭编写,项目案例全部由何奎编写。 燕山大学孔祥东教授为本书主审,在此对孔教授的支持和帮助表示由衷的感谢!同时,在编写过程中,编者参考和引用了一些文献内容,在此也谨向这些文献作者表示谢意。 由于编者水平有限,书中难免有疏漏和不妥之处,敬请广大读者批评指正。 编者
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