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出版者:第1版 (2004年1月1日)

作者:魏巍编

出品人:

页数:452

译者:

出版时间:2004-1

价格:45.0

装帧:平装

isbn号码:9787118032055

丛书系列:

图书标签:

• MATLAB
• 控制工程
• 工具箱
• 技术手册
• Simulink
• 自动控制
• 系统分析
• 仿真
• 算法
• 工程应用

现代控制系统设计与实现：基础理论、仿真建模与实践应用 本书涵盖了现代控制系统领域的核心概念、数学基础、仿真技术与实际应用，旨在为工程技术人员、科研人员以及高等院校相关专业的师生提供一本全面、深入且具有实践指导意义的参考书。全书内容结构清晰，理论阐述严谨，案例分析详尽，强调从基础原理到复杂系统解决能力的构建。 --- 第一部分：控制系统理论基础与数学建模 (约 400 字) 本部分聚焦于构建和分析线性与非线性控制系统的数学框架。我们首先回顾了经典控制理论中的核心要素，如系统的时域响应、频域分析方法（波特图、奈奎斯特图）以及根轨迹分析的精髓，强调其在初步系统理解中的不可替代性。 随后，本书深入探讨了现代控制理论的基石——状态空间表示法。详细讲解了如何将物理系统（机械、电气、热力学等）精确地转化为标准状态空间模型（$dot{mathbf{x}} = mathbf{Ax} + mathbf{Bu}$，$mathbf{y} = mathbf{Cx} + mathbf{Du}$）。我们不仅关注了标准形式的推导，更详细阐述了系统的基本性质判定，包括能控性（Controllability）和能观测性（Observability）的数学判据及其物理意义。理解这些特性是设计有效反馈控制器的前提。 针对系统参数辨识和模型简化，本书提供了一套系统化的方法。它涵盖了从实验数据获取到参数估计的流程，并介绍了降阶模型（Model Reduction）的技术，确保在保证系统主要动态特性的前提下，简化后续的控制器设计计算复杂度。此外，对线性系统的稳定性分析（如李雅普诺夫稳定性理论在LTI系统中的应用）进行了详尽的论述。 --- 第二部分：经典与现代控制器设计方法 (约 550 字) 本部分是全书的核心，着重于如何根据系统特性和性能指标设计出满足要求的反馈控制器。 经典控制器的优化设计： 我们首先复习了PID控制器的原理，但重点放在了参数整定（如Ziegler-Nichols法、基于频率响应的整定）和抗饱和、抗积分锁死等实际工程问题上。针对提升瞬态响应和稳态精度，本书详细介绍了超前（Lead）和滞后（Lag）补偿器的设计流程，并结合伯德图（Bode Plot）给出了直观的设计准则。 现代控制器的核心技术——状态反馈与观测器设计： 状态反馈控制（State Feedback Control）的设计被系统地分解为极点配置（Pole Placement）和最优控制的基础。针对极点配置，详细介绍了使用Ackermann公式和通过传递函数法进行设计的方法，并探讨了在系统存在不确定性或无法完全测量所有状态变量时的解决方案。 观测器的构建与应用： 针对状态变量无法直接测量的普遍工程难题，本书深入介绍了Luenberger观测器和卡尔曼滤波器（Kalman Filter）的原理与实现。重点在于解释如何根据噪声特性设计最优状态估计器，并将估计的状态反馈到控制器中，形成状态反馈与观测器结合的闭环系统。我们详细推导了观测器增益的确定过程，并分析了观测器误差动态与主系统动态之间的解耦性。 先进的稳态性能提升： 本部分还引入了线性二次型调节器（LQR）的设计思想，作为一种系统化的最优控制设计方法。通过定义状态误差和控制输入的二次型成本函数，展示了如何平衡系统的快速性与控制能量消耗，从而得到最优的反馈增益矩阵。 --- 第三部分：系统仿真、分析与复杂系统处理 (约 550 字) 本部分将理论与工程实践紧密结合，强调利用计算工具对复杂系统进行建模、仿真和验证。 系统级仿真与建模技术： 本章详细介绍了建立多域物理系统模型的方法论，包括对机械系统中的刚体动力学、旋转机构的建模，以及电气系统中的电机控制模型构建。特别关注了如何处理非线性元件（如摩擦、饱和、间隙）对系统性能的影响，并展示了如何将不同物理领域的子系统集成到统一的仿真环境中进行联合仿真。 鲁棒性分析与不确定性处理： 在真实工程中，模型参数总存在误差或时变性。本书深入探讨了鲁棒控制的基本概念，包括增量值的处理和$mu$分析的基础。针对参数不确定性，我们阐述了区间矩阵分析和H-无穷范（H-infinity Norm）的概念，用以评估控制器在模型存在偏差时的性能裕度。 数字控制系统的实现细节： 理论控制律的工程化是关键一步。本书详尽讨论了连续时间系统向离散时间系统的转换方法（如零阶保持器法、双线性变换法），并分析了采样时间对系统稳定性和性能的影响。此外，还涉及了量化误差、计算延迟在实际数字控制器实现中所扮演的角色。 典型工业应用案例解析： 本部分通过详尽的案例研究，展示了上述理论和方法的综合应用。案例涵盖了高速精密运动控制系统的设计、大型复杂机械臂的轨迹跟踪控制，以及过程控制中常见的多变量耦合系统的解耦控制策略。每一个案例都包含从系统辨识、模型选择、控制器设计到仿真验证的完整流程，强调解决实际工程问题的步骤和技巧。 --- 本书特色： 结构化地整合了控制工程领域从基础理论到高级应用的知识体系，注重数学严谨性与工程实践的可操作性之间的平衡，是控制工程师和相关专业学生案头不可或缺的工具书。

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初拿到这本《MATLAB控制工程工具箱技术手册》，我原本是满怀期待的，希望它能成为我日常工作和学习中的得力助手。毕竟，MATLAB在控制系统设计中的地位毋庸置疑，而配套的工具箱更是我们实现复杂算法、进行仿真分析的核心武器。然而，阅读体验却让我感到有些失落。这本书的内容组织结构显得较为松散，知识点之间的逻辑衔接不够紧密，读起来总像是东一榔头西一棒子。例如，在讲到PID控制器设计时，书中似乎更侧重于展示各个函数的调用语法，而对于这些参数调整背后的控制理论精髓，比如如何根据系统的具体特性来选择合适的整定方法，讲解得过于简略。我期望的是一本既能提供详尽操作指南，又能深入剖析理论基础的书籍，但遗憾的是，这本书更像是一本厚厚的函数手册，缺乏对高级应用场景的深度挖掘。对于那些希望通过这本书系统性学习或提升控制工程实践能力的工程师来说，可能会发现它在“为什么”和“怎么做深”这两个关键问题上有所欠缺，需要配合其他更具系统性和理论深度的资料才能更好地理解和应用。

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这本书的排版和示例代码的质量，坦白说，给我留下了不太好的印象。作为一本技术手册，清晰的图文排版和可运行的、有针对性的示例代码是至关重要的。我发现书中很多插图的分辨率偏低，图形标签模糊不清，这在需要精确对比仿真结果时，着实让人抓耳挠腮。更让人头疼的是，部分代码示例似乎没有经过充分的调试和验证，偶尔会出现一些运行错误或者与文字描述不符的结果。这极大地降低了学习的效率，因为每一次遇到代码问题，我都得花费额外的时间去排查到底是书上写错了，还是我理解有偏差。一本优秀的工具箱手册，理应保证示例的即开即用，能够让读者信心满满地跟着操作。这本书在这方面做得不够严谨，使得原本应该流畅的学习路径，时不时就被这些技术细节上的瑕疵打断，让人不得不停下来，对作者提供的“现成”方案产生怀疑。

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这本书的叙述风格偏向于枯燥的罗列，缺乏必要的“人情味”和工程实践中的经验传授。技术书籍如果能穿插一些作者在实际工程项目中遇到的坑、如何巧妙规避错误的技巧，或者特定工具箱函数在不同约束条件下的性能差异对比，那无疑会增色不少。这本书的文字非常书面化，几乎没有引入任何场景化的描述。当你阅读到如何设置仿真时间步长或者选择求解器类型时，你只会得到一系列参数的定义，而不是被告知：“在设计高频动态系统时，务必注意…”或者“我们发现，对于非线性系统，使用XXX求解器相比YYY能显著提高收敛速度，尽管需要更多的计算资源。”这种“说明书式”的写作方式，虽然确保了信息的完整性，却极大地削弱了读者的参与感和学习的主动性，让人很难将书本知识转化为实际的工程直觉。它更像是一份冷冰冰的说明文档，而不是一本能引导思考的“技术伙伴”。

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我试图从这本书中寻找一些关于现代控制理论前沿应用的指导，比如模型预测控制（MPC）或者先进的鲁棒控制设计方法在工具箱中的具体实现细节和最佳实践。然而，这本书的内容似乎停留在相对基础和经典控制的范畴，对于新近在工业界和学术界广受关注的复杂系统优化和自适应控制等主题，着墨不多，即便提及，也多是蜻蜓点水，缺乏深入的算法剖析和工具箱特定功能的展示。对于我们这些希望紧跟技术发展，利用最新工具箱功能解决前沿问题的专业人士来说，这本书的“新”意不足。它更像是一本扎根于十年前工具箱版本的参考书，对于当前MATLAB版本迭代带来的功能增强和算法更新，几乎没有涉及。如果目标读者是初学者尚可理解，但对于资深工程师而言，这本书的价值上限很快就被设定了，它无法提供那种让人眼前一亮的、能直接提升项目竞争力的洞见。

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让我感到困惑的是本书对于工具箱中不同模块间相互作用的描述非常薄弱。控制工程往往是一个涉及多个工具箱模块协同工作的复杂过程，比如从系统辨识得到模型后，需要将其导入到控制设计模块进行控制器综合，最后再到仿真模块进行时域和频域分析。理想情况下，一本技术手册应该清晰地描绘出这种数据流和信息传递的路径，并提供无缝衔接的案例。在这本手册中，各个章节似乎是相对独立的模块，讲解完一个工具箱的功能就戛然而止，很少有章节之间能够互相引用、形成一个完整的、端到端的工程案例。这使得读者在实际操作中，不得不自己去摸索如何将不同章节中学到的知识点串联起来，极大地增加了学习曲线的陡峭程度。缺乏一个贯穿始终的、大型的、涉及多工具箱集成的综合实例，使得这本书的实用性大打折扣，无法有效支撑起一个完整的控制项目设计流程。

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