“自動控制原理”是控制科學(xué)與工程學(xué)科的基礎(chǔ)理論,自動控制的基本思想是使機(jī)器或設(shè)備具有類似人的功能與智能, 即不需要人類的干預(yù)就能自動完成指定的任務(wù), 機(jī)器人就是最典型的實(shí)例之一。當(dāng)今迅猛發(fā)展的人工智能技術(shù)將逐漸與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)深度融合,以自動控制為核心的自動化技術(shù)是人工智能與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之間的橋梁。新技術(shù)的發(fā)展也將給自動控制原理這門傳統(tǒng)課程帶來新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
“自動控制原理”是自動化類、電氣類專業(yè)的重要課程之一,它面向控制對象,注重理論和實(shí)踐相結(jié)合,主要研究自動控制系統(tǒng)中的基本理論及分析和設(shè)計(jì)方法。該課程涉及知識面廣,且內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng),具有一定的學(xué)習(xí)難度和教學(xué)難度。“自動控制原理”課程以負(fù)反饋控制為主要內(nèi)容,“利用誤差消除誤差”的核心思想,通過建立數(shù)學(xué)模型將定性的物理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為定量的數(shù)學(xué)分析的思維及方法,具有普遍的科學(xué)意義。
近年來,中國礦業(yè)大學(xué)控制理論課程組結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和科研實(shí)踐對課程改革做出了諸多努力。在2016版培養(yǎng)方案中,將原現(xiàn)代控制理論課程中的“非線性控制系統(tǒng)分析”部分移至自動控制原理(經(jīng)典控制)課程中�，F(xiàn)代控制理論由原來的48學(xué)時(shí)(含8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn))減為32學(xué)時(shí)(含4學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)),自動控制原理在增加內(nèi)容的情況下保持64學(xué)時(shí)(含8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn))不變。在2020版培養(yǎng)方案中,進(jìn)一步加大了改革的力度。自動控制原理課程調(diào)整為48學(xué)時(shí),另外增加12學(xué)時(shí)的線上自學(xué)環(huán)節(jié);將自動控制原理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)整合,單獨(dú)開設(shè)24學(xué)時(shí)的控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)課程;形成線上線下相結(jié)合、理論與實(shí)踐相融合的混合式教學(xué)模式。為適應(yīng)課程建設(shè)的新需求,作者重新編寫了自動控制原理教材,內(nèi)容深入淺出,突出工程實(shí)踐背景,有機(jī)地融合了MATLAB軟件的使用。本書立足經(jīng)典控制的基礎(chǔ)理論和概念,注重知識的完整性和系統(tǒng)性,對易混淆的知識點(diǎn)做了強(qiáng)化講解,細(xì)化了例題的解題步驟,使其更適合讀者自學(xué),利于混合式教學(xué)的開展。本書不僅適用于自動化類、電氣類專業(yè)本科課程,還可用于機(jī)械、能源、化工等專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué),學(xué)時(shí)數(shù)根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)可以在32~64學(xué)時(shí)之間進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
本書以“三縱三橫”為主線,“三縱”指時(shí)間域、復(fù)數(shù)域和頻率域中的模型與分析方法,“三橫”指控制系統(tǒng)三個(gè)方面的性能:穩(wěn)定性、動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。第1章重點(diǎn)講述了反饋控制的工作原理,控制系統(tǒng)的分類和基本要求,并簡要介紹了自動控制的發(fā)展歷程;第2章給出了線性系統(tǒng)的時(shí)間域和復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型,其中,第2.1節(jié)拉普拉斯變換及其應(yīng)用可以根據(jù)情況選學(xué)或自學(xué),第2.5節(jié)僅給出了信號流圖的一般概念,略去了具體的繪制方法,重點(diǎn)在于掌握梅森增益公式的使用;第3章在時(shí)間域里對線性系統(tǒng)進(jìn)行性能分析,動態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算重點(diǎn)針對欠阻尼典型二階系統(tǒng),穩(wěn)定性判斷介紹了最常用的勞斯判據(jù),在穩(wěn)態(tài)性能分析里討論了誤差的實(shí)際物理意義,強(qiáng)調(diào)了在計(jì)算穩(wěn)態(tài)性能之前要先判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性;第4章在復(fù)數(shù)域里利用根軌跡圖對線性系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì),根軌跡這部分內(nèi)容近年來在學(xué)界存在著比較大的分歧,本書弱化了根軌跡圖的手工繪制方法,重點(diǎn)在于借助根軌跡的分布理解開環(huán)零點(diǎn)、開環(huán)極點(diǎn)對系統(tǒng)性能的影響,其中,第4.5節(jié)借助MATLAB繪制的根軌跡圖,分析了PID控制器參數(shù)的確定方法;第5章給出了線性系統(tǒng)的頻率域數(shù)學(xué)模型,并利用奈奎斯特(Nyquist)圖和伯德(Bode)圖在頻率域里對系統(tǒng)進(jìn)行性能分析,奈奎斯特圖主要用來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在頻率域里通常利用伯德圖對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),其中,第5.7節(jié)結(jié)合伯德圖分析了頻域性能指標(biāo)與時(shí)域性能指標(biāo)之間的關(guān)系;第6章重點(diǎn)介紹了基于伯德圖的線性系統(tǒng)串聯(lián)校正方法;第7章簡要介紹了常見的非線性特性和最基本的非線性控制系統(tǒng)分析方法,死區(qū)、飽和、摩擦等非線性特性在實(shí)際控制系統(tǒng)中普遍存在,特殊情況下還可以人為增加非線性環(huán)節(jié)來改善系統(tǒng)的性能,因此學(xué)習(xí)非線性系統(tǒng)分析是非常必要的。
以學(xué)生的學(xué)習(xí)成效為目標(biāo),培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力和創(chuàng)新思維是當(dāng)前教學(xué)改革的主流趨勢。課程內(nèi)容要強(qiáng)調(diào)廣度和深度,教學(xué)內(nèi)容要體現(xiàn)前沿性和時(shí)代性。優(yōu)秀的教材是課程建設(shè)中最重要的環(huán)節(jié),作者結(jié)合本校學(xué)情做出了非常有意義的改革探索。教無止境,相信作者會在教學(xué)改革的道路上繼續(xù)深入下去,取得更加豐碩的成果。
教授哈爾濱工業(yè)大學(xué)
“自動控制原理”是國內(nèi)外各高校自動化、電氣工程及其自動化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。隨著第四次工業(yè)革命的興起,傳統(tǒng)制造工業(yè)正在升級改造向智能制造邁進(jìn),越來越多的知識型工作通過融入人工智能的自動化系統(tǒng)來完成。新技術(shù)的發(fā)展給這門傳統(tǒng)的課程帶來了新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇,自動控制理論和技術(shù)需要與計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、機(jī)器人工程等相集成與融合。
通過對知識體系的梳理,汲取國內(nèi)外同類教材的優(yōu)點(diǎn),結(jié)合教學(xué)中遇到的突出問題編寫了本書。本書以加強(qiáng)基礎(chǔ)、突出解決工程問題的思維方法,同時(shí)又以避繁就簡、深入淺出為原則,系統(tǒng)地介紹了經(jīng)典控制理論中的基本原理、數(shù)學(xué)建模、系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法。通過溫度控制、液位控制、直流電動機(jī)調(diào)速、機(jī)器人控制等工程實(shí)例將抽象的理論知識形象化,突出教材的實(shí)用性。本書內(nèi)容力求與工程認(rèn)證和新制定的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng),注重對工程素養(yǎng)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。從自動控制理論與技術(shù)的發(fā)展中提煉課程思政元素,將科學(xué)家精神、科學(xué)方法論等有機(jī)融入教學(xué)內(nèi)容。
全書共7章。第1章介紹自動控制系統(tǒng)的基本概念、分類以及控制理論的發(fā)展過程;第2章從實(shí)際物理系統(tǒng)入手,闡述控制系統(tǒng)的微分方程、傳遞函數(shù)、框圖及信號流圖等不同形式數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建方法;第3章在時(shí)間域里分析線性系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和穩(wěn)定性;第4章在復(fù)數(shù)域里利用根軌跡圖分析線性系統(tǒng)的性能,并進(jìn)行PID控制器設(shè)計(jì);第5章在頻率域里利用伯德(Bode)圖、奈奎斯特(Nyquist)圖對線性系統(tǒng)進(jìn)行性能分析;第6章主要介紹基于伯德圖的線性系統(tǒng)串聯(lián)校正方法;第7章討論了控制系統(tǒng)中的典型非線性特性,基于描述函數(shù)法和相平面法對非線性控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。為使讀者深入理解圖解法分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的原理,書中將手工繪圖與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件MATLAB繪圖進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合。
本書由王雪松教授、�？×指苯淌凇�楊春雨教授編著,�？×指苯淌谪�(fù)責(zé)第1~4章,王雪松教授負(fù)責(zé)第5、6章,楊春雨教授負(fù)責(zé)第7章。�？×指苯淌诔袚�(dān)了全書的統(tǒng)稿工作。郭西進(jìn)教授、賈存良教授、程玉虎教授、陳穎副教授審閱了全書,并提出了寶貴意見。本書在編寫過程中得到了中國礦業(yè)大學(xué)馬小平教授、李明教授、鞏敦衛(wèi)教授、孫曉燕教授、繆燕子教授,哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬廣富教授、李傳江教授,北京航空航天大學(xué)胡慶雷教授,澳大利亞西澳大學(xué)Tyrone Fernando教授,機(jī)械工業(yè)出版社吉玲編輯的大力支持與幫助,在此表示衷心的感謝。
為方便教學(xué),本書配套的電子教案可免費(fèi)提供給采用本書作為教材的相關(guān)院校使用,如有需要,請發(fā)電子郵件至junlinchang@cumt.edu.cn。
由于編者水平有限,書中難免存在不足之處,懇請讀者提出寶貴意見,以便進(jìn)一步修訂和完善。
編者