控制科学与工程是饶有兴趣、充满新奇且具有挑战性的学科。从本质上说,控制科学与工程是一门跨学科综合性的工程学科,自动控制原理是它的核心课程。由于自动控制技术在各个行业的广泛渗透,其控制理论已逐渐成为高等院校许多学科共同的专业基础,且越来越占有主要的位置。国内外已经出版了许多优秀的《自动控制原理》类教科书,尽管如此,学生们仍常常感到学习和应用“自动控制原理”比较困难。我们的学生从电力、石油化工、冶金、机械加工、水自处理、地铁、啤酒厂、汽车制造等工厂参观实习回来后都惊奇地发现,他们在课上学到的知识如今确实应用到各个行业,我们建议学生在学习该门课程期间一定要去工厂参观实习,这对学习、认识和应用自动控制系统大有好处。可以采用不同的途径来学习和掌握控制科学与工程的基础知识和技能。一方面,该学科是奠定在坚实的数学基础之上的,可以将定理及其证明作为重点,从严格的理论角度来学习它; 另一方面,由于其最终目标是实现对实际系统的自动控制,也可以在设计控制系统的实践中,主要凭直觉和实践经验来学习,不过这只是权宜之计。本书是在介绍信息控制学科的数学工具和方法论的基础上,着重以工程实例为背景,以物理模型为主线,介绍如何对自动控制系统进行分析和实现具有实用参数指标的实际控制系统的设计。
最重要和最有效的学习方法是对前人已得到的答案和方法重新发现和创新。传统的教学方法不够重视学生创新与实践能力的培养,不重视向学生提问题,而是只给出问题的研究方法、理论证明和完整的答案,使学生感受不到刺激和兴奋,与创造冲动无缘,有可能知难而退。因此,理想的教学方法是向学生提出一系列问题,并给出一些过去已经得到的答案。向学生提出一些将要面临的、重要而尚无答案的问题,由学生自己去寻求答案。这样他们可以自豪地说,他们所学到的知识都是自己所发现的。一本好的教科书和一位好的教授讲解是学好课程的有利条件,但是,只有学生自己才是学好课程的关键因素,大家都知道兴趣是最好的老师,相信本书的再版能给学生带来更大的学习和研究兴趣。
本书注重教学研究要更新观念、强调工程背景,理论紧密结合实际,从基本概念、基本分析方法入手,结合实例,以时域分析方法为主线,时域分析和频域分析并进,图文并茂,利用直观的物理概念以及一系列MATLAB仿真结果使学生充分理解控制系统参数与性能指标之间的内在联系,由浅入深地引导学生全面理解和掌握自动控制系统的分析与设计方法。
本书的编写是主编在从事自动控制原理课程教学和从事控制科学与工程科学研究30年经验的基础上完成的。本次修订的主要工作是保留原著基本内容与风貌,更加强调控制理论紧密与实际应用结合,删除第1版中当今自动控制系统分析与设计中几乎不用的内容。例如: 第2章中方框图的复杂等效变换和简化部分; 第3章的赫尔维茨稳定判据和动态误差系数部分; 第6章中有源校正电路部分。部分例子做了删减,各章节所有模拟仿真图形均采用MATLAB实现。为了进一步突出自动控制原理课程的综合应用性,在第2版中增加了第10章自动控制系统设计实例,主要选取了两种典型控制系统: 温度控制系统与倒立摆控制系统作为设计实例,以激发学生学习的积极性和创造新,达到学以致用的目的。
本书第1章~第6章内容可以作为自动化专业、电信息学科和非电工程各学科的基础内容,建议学时在60学时左右。其他内容可根据各院校各专业教学计划的安排和课时,自行组合加以取舍。
本书由杨智、范正平主编。第1章、第2章、第5章~第7章、第9章由杨智执笔,第3章、第4章和第8章由范正平执笔,第10章由陈曦、何树敏执笔。本书部分内容受国家自然科学基金项目(60704045)和(60874115)资助。研究生王明甲、许清媛等参与了本书的打字、MATLAB编程与绘图工作。在此,谨向对我们的编写工作给予积极支持和大力帮助的人们表示诚挚的感谢!
由于我们的时间和水平有限,书中错误难免,殷切希望广大师生、专家学者、控制工程师提出批评和宝贵意见,以便再版时改正。
杨智
2013年9月于广州