自动控制原理

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出版者:北京理工大学出版社
作者:张旺王世鑫
出品人:
页数:390
译者:
出版时间:1994-1
价格:30.00元
装帧:简裝本
isbn号码:9787810138956
丛书系列:
图书标签:
  • 自动控制
  • 控制理论
  • 控制系统
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具体描述

本书是为液压,机械专业大学本科生编写的自动控制理论教材,内容包括:线性定常连续系统理信纸,非线性系统中的描述函数法,采样控制系统分析,状态空间方法基础,以及与之相配合的计算机辅助数学程序。

为了适应专业及工程的需要,书中还介绍了含有低阻尼比二阶振荡环节为被控对象系统的分析方法和校正方法、非线性特性振荡线性化、PID调节器设计及其高散化 算法。书中有较多的例题和习题。

本书可作为液压、机械及非自控专来大学本科生、各类大专生的教材,也可以作为从事自动 控制专业教学工作的教师和工程技术人员的参考书。

《系统动力学与仿真:复杂系统行为的预测与干预》 图书简介 在当今科学与工程领域,我们面临的挑战日益复杂化。从气候变化、全球供应链的动态演变,到生物医学系统内部的精细调控,再到大型工业流程的优化管理,其核心在于理解和预测“系统”的行为。传统的线性分析方法在处理非线性、时变和高维度的复杂系统时显得力不从心。《系统动力学与仿真:复杂系统行为的预测与干预》 正是为应对这一需求而精心编写的深度专著。本书将引导读者跳出传统的控制论框架,深入探索基于反馈、延迟和非线性的系统思维模式,并掌握现代计算仿真技术,以期实现对复杂系统更具洞察力的理解与更有效的干预策略。 第一部分:系统思维的重塑与基础理论 本书的基石在于建立一种系统性的世界观。我们不再将系统视为一系列孤立的部件,而是视为一个相互连接、动态演化的整体。 第一章:复杂系统的界定与特征 本章首先明确复杂系统的范畴,区分简单系统、复杂适应系统(CAS)与一般系统。重点探讨系统的涌现性(Emergence)、自组织性(Self-organization)、反馈回路的识别与结构化。我们将分析哪些特征(如多重时间尺度、非线性阈值效应、路径依赖性)使得传统解析方法失效。 第二章:反馈回路的深度解析:从回路图到结构函数 反馈是系统动态行为的驱动力。本章详尽阐述了正反馈与负反馈的辨识、耦合与抑制机制。我们将引入“存量-流量图”(Stock and Flow Diagramming)这一核心工具,这是系统动力学的语言。读者将学会如何将定性的流程描述转化为精确的数学结构(微分方程组的前身),并理解时间延迟(Time Delay)在系统振荡与稳定性中的关键作用。 第三章:非线性现象与定性分析工具 线性系统分析工具(如拉普拉斯变换)的局限性在非线性系统中暴露无遗。本章聚焦于非线性系统固有的复杂行为: 1. 相平面分析(Phase Plane Analysis): 针对二阶系统的轨迹分析,识别奇点(节点、焦点、鞍点)的稳定性。 2. 极限环(Limit Cycles): 解释系统中周期性振荡的内在机制,及其与系统参数的依赖关系。 3. 分岔理论入门(Bifurcation Theory): 探讨系统参数微小变化如何导致系统拓扑结构发生突变(例如从稳定平衡点到周期振荡的转变),这对理解突发性系统崩溃至关重要。 第二部分:建模与仿真方法的构建 理论分析往往不足以预测复杂系统的具体行为,精确的数值模拟成为必不可少的手段。本部分侧重于将理论模型转化为可执行的仿真框架。 第四章:系统动力学建模的实践流程 本章提供了一套从现实问题到可运行模型的完整流程。从目标界定、变量选取、边界设定,到模型的构建与参数估计。重点讨论如何处理数据的稀疏性、模型的不确定性以及如何利用历史数据进行模型校准(Calibration)与验证(Validation)。 第五章:数值求解策略与误差控制 系统动力学模型通常由一组非线性常微分方程(ODE)描述。本章深入探讨数值积分算法: 1. 欧拉方法与改进: 作为基础方法的理解与局限。 2. 龙格-库塔(Runge-Kutta)族: 重点解析四阶RK方法(RK4)的精度与效率平衡。 3. 变步长算法: 如亚当斯-巴什福斯方法,如何根据局部误差自适应调整时间步长,以应对系统动态的快速变化。 第六章:多尺度建模与混合离散/连续系统 真实世界中的系统往往包含不同时间尺度的过程(如快速电子过程与缓慢的物理扩散)。本章探讨如何构建具有多时间尺度特征的模型,以及如何纳入离散事件(如开关动作、瞬时决策)来增强模型的现实性。将介绍离散事件仿真(DES)与连续系统仿真的融合技术。 第三部分:仿真结果的分析与系统干预 构建模型仅仅是第一步,关键在于如何从仿真输出中提取有价值的洞察,并设计出有效的干预措施。 第七章:敏感性分析与参数不确定性传播 一个复杂的模型往往包含数十个参数。本章教授如何进行系统化的敏感性分析(Sensitivity Analysis): 1. 单参数扫描: 识别对系统行为影响最大的关键驱动因素。 2. 蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟: 评估参数随机性对系统输出分布的影响,量化模型预测的置信区间。 3. 极端情景测试: 模拟系统在边界条件下的鲁棒性表现。 第八章:系统优化与政策设计 本书的高级应用在于利用仿真模型进行“虚拟实验”。本章侧重于利用优化算法来寻找最优的控制策略或系统结构: 1. 目标函数设定: 如何将复杂的系统目标(如最小化成本、最大化吞吐量)转化为可量化的目标函数。 2. 启发式搜索方法: 介绍遗传算法(GA)等全局搜索技术在复杂非线性系统优化中的应用。 3. 反馈策略的替代性评估: 对比不同延迟结构、不同反馈强度下的系统表现,为决策者提供基于证据的干预方案。 第九章:网络结构与系统动力学的集成 在现代研究中,许多系统(如交通网络、信息传播网络)天然具有图结构。本章将系统动力学的微分方程模型与图论相结合,探讨网络结构如何影响整体的动态响应、信息流和故障传播的韧性(Resilience)。 结语:从描述到指导 《系统动力学与仿真:复杂系统行为的预测与干预》旨在为工程师、管理者、政策制定者以及高级学生提供一套全面且实用的工具箱。本书强调的不是建立一个“完美”的模型,而是理解模型背后的反馈结构,并在不确定性中,通过严谨的仿真实验,指导我们做出更明智的决策,从而有效地干预并塑造复杂系统的未来行为。它是一本关于如何思考动态系统的指南,而非仅仅是关于控制理论的教科书。

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读后感

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用户评价

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我不得不说,这本书的排版和装帧设计简直是业界良心,拿在手上就感觉分量十足,绝对不是那种匆匆忙忙拼凑出来的教材。内页采用的是哑光纸张,长时间阅读眼睛完全没有那种刺眼的疲劳感,这对于我们这些需要长时间盯着公式看的读者来说太重要了。最值得称赞的是它的图示清晰度。在分析状态空间模型的描述时,很多教材的图往往模糊不清,变量和箭头混在一起,让人分不清主次。但这本书对每一个框图和信号流图都做了精心处理,关键的变量用加粗字体标注,反馈路径和前馈路径的箭头粗细都做了区分,即便是初次接触状态空间表示法的读者,也能一眼看出系统的结构和信息流向。而且,它在每个章节的末尾都精心设计了一个“回顾与展望”的小节,这个设计非常巧妙。它不只是简单总结了本章知识点,而是将本章内容与前后章节,甚至与其他控制理论(比如鲁棒控制、最优控制的雏形)联系起来,提供了一个宏观的视角。这种结构安排,让我感觉自己不是在一个孤立的知识点上打转,而是正在攀登一座结构严谨、层层递进的知识高山。这种对细节的打磨和对读者阅读体验的关怀,是很多技术书籍所欠缺的,也体现了编著者深厚的教学功力。

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这本《自动控制原理》的习题解析真是太给力了!我之前啃教材啃得头大,那些复杂的数学推导和抽象的概念总是让我感觉云里雾里。直到我遇到了这本书,简直像是找到了通往理解彼岸的灯塔。它不是简单地罗列公式,而是花了大量的篇幅,图文并茂地剖析了每一个典型例题背后的物理意义和工程背景。比如,在讲解根轨迹法时,它没有直接抛出那个复杂的“相角判据”,而是用了一个非常形象的比喻,把系统的闭环极点看作是在“寻找平衡点”的过程,每一步的移动都对应着开环增益的变化,这样一来,那些原本枯燥的代数运算就变得有迹可循了。更让我惊喜的是,对于那些经典控制器的设计,比如PID,它不仅给出了标准形式,还深入探讨了比例、积分、微分项对系统瞬态响应和稳态误差的“脾气”影响。我记得有一次调试一个机械臂的位置控制,系统老是出现小幅振荡,我按照书上的思路,先用Ziegler-Nichols法粗调,再结合书里关于“积分项消除稳态误差但可能引入超调”的讨论,微调了$K_i$,结果立马就稳定下来了。这本书的价值不在于让你背下多少公式,而在于它真正教会了你如何“思考”控制系统,如何用数学语言描述和解决现实世界中的工程难题。对于一个正在努力从理论走向实践的工科生来说,这本习题集比纯理论教材更接地气,是真正的实战指南。

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这本书在处理“非线性系统辨识”这一前沿领域的内容时,表现出了远超一般本科教材的深度和广度。我原本以为它会像很多国内教材一样,在非线性部分草草收场,只提一下相平面法,然后就让读者去啃更专业的书籍。没想到,它居然用了一整章的篇幅,详尽地介绍了描述函数法和等效刚度法的适用条件和局限性。特别是关于“极限环的稳定性判断”,书中不仅给出了李雅普诺夫判据的初步应用实例,还结合一个典型的范德堡振荡器模型,演示了如何通过相平面轨迹的“螺旋性”来直观判断系统的稳定性。这种从数学工具到工程实例的完美嫁接,让我对非线性控制不再抱有敬畏之心,而是有了着手的信心。此外,书中还穿插了一些关于智能控制方法(如模糊逻辑控制器的基本原理)的介绍,虽然篇幅不长,但足以打开一扇窗户,让我知道现代控制工程是如何与人工智能技术结合的。这对于我们这些期望未来从事前沿研究的学子来说,无疑是宝贵的指引。它没有把理论和应用割裂开来,而是让读者始终保持着对未来技术发展的敏感度。

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这本书的语言风格非常严谨,但又不像一些俄式教材那样晦涩难懂,它更偏向于一种清晰、逻辑性极强的英式学术叙事。它的魅力在于对“假设”和“前提条件”的强调。在介绍任何一个控制方法时,作者都会首先明确指出这个方法适用的系统类型(如是否为线性时不变系统、是否满足可控可观条件)。例如,当讲解状态反馈极点配置时,书中反复强调了“可控性”是设计的前提,并提供了一个非常简洁的反例——一个不可控系统,展示了为什么强行进行极点配置会导致设计失败。这种强调基础和前提的写作方式,有效地帮助读者建立起对控制理论的敬畏感,避免了在实际工程中“套用公式”而导致灾难性后果的风险。我发现,很多初学者犯的错误不是计算能力不足,而是对理论的适用边界理解不清。这本书通过大量的“限定条件说明”,成功地弥补了这一点。它教我的不仅是“如何做”,更是“在什么情况下才能做”。这种对科学严谨性的坚持,是其成为一本优秀参考书的关键所在。

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我必须承认,这本书对“系统辨识”这块内容的深度挖掘,远超我的预期。通常,控制原理的书籍对辨识部分只是浅尝辄止,更多地是作为后续学习的铺垫。但《自动控制原理》这本书,却花了足足两个章节来系统地阐述最小二乘法(OLS)在线性系统参数估计中的应用。作者不仅推导了经典的OLS算法,还非常细致地对比了批量式(Batch)和递归式(Recursive)最小二乘法的优缺点。尤其是在讲解递归最小二乘(RLS)时,它引入了“遗忘因子”的概念,并解释了该因子如何影响系统对历史数据的“记忆”程度,以及如何通过调整它来应对时变参数系统。这种对算法细节的深入剖析,使得我对“如何从实验数据中提取系统模型”这一关键环节有了本质性的理解。我甚至尝试用书中学到的RLS算法,对一个简单的电机实验数据进行了编程实现,结果发现其估计出的传递函数模型与理论模型高度吻合。这本书的这种“理论推导—算法实现—工程应用”的闭环教学结构,真正将抽象的数学理论转化为了可操作的工程技术。

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