机械结构设计准则及实例 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:机械工业出版社

作者:杨文彬

出品人:

页数:267

译者:

出版时间:1997-12

价格:19.00

装帧:平装

isbn号码:9787111057826

丛书系列:

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现代控制理论及其应用：系统建模、分析与优化 图书简介 本书深入探讨现代控制理论的基石、核心方法及其在工程实践中的广泛应用。全书以严谨的数学工具为支撑，清晰地勾勒出从经典控制理论向现代控制理论过渡的脉络，旨在为读者提供一个全面、深入且具有实践指导意义的知识体系。本书内容涵盖系统状态空间表示、可控性与可观测性分析、最优控制设计、鲁棒控制基础，以及非线性系统的基本处理方法，并辅以大量的工程实例进行说明。 第一部分：系统建模与状态空间描述 本部分着重于构建和理解工程系统的数学模型，这是所有控制系统设计的基础。 第一章：动态系统的数学描述 本章首先回顾经典控制理论中传递函数模型的局限性，随后引入状态空间描述的概念。我们将详细阐述线性时不变（LTI）系统的标准状态空间方程（$dot{mathbf{x}} = mathbf{A}mathbf{x} + mathbf{B}mathbf{u}$，$mathbf{y} = mathbf{C}mathbf{x} + mathbf{D}mathbf{u}$）的建立过程，包括如何从物理定律（如牛顿第二定律、基尔霍夫定律）推导出状态变量定义和系统矩阵（$mathbf{A}, mathbf{B}, mathbf{C}, mathbf{D}$）。此外，还讨论了非线性和时变系统的建模挑战与初步处理方法。 第二章：系统的解与时间响应分析 系统模型建立后，关键在于预测其动态行为。本章详细介绍了状态转移矩阵 $mathbf{Phi}(t)$ 的求解方法，包括利用拉普拉斯逆变换、凯莱-哈密顿法以及泰勒级数展开法。对于离散时间系统，则侧重于计算离散状态转移矩阵 $mathbf{Phi}(k)$。我们将分析系统的自由响应（无输入响应）和受迫响应，并引入李雅普诺夫稳定性分析的初步概念，评估系统内在的稳定性特征。 第三章：系统等效变换与约简 在进行控制设计之前，系统表示形式的选择至关重要。本章讲解如何通过相似变换实现状态变量的重新定义，以达到简化分析或便于控制器设计的目的。重点讨论了 Jordan 标准型和对角化（若可能）的意义。此外，对于高阶系统，系统约简技术（如模态分解或 Hankel 奇异值法）被引入，用于提取对系统动态影响最大的低阶模型，为后续的简化设计奠定基础。 第二部分：系统分析与经典方法延伸 本部分聚焦于分析系统固有的结构特性，并利用这些特性指导控制器的初步设计。 第四章：可控性与可观测性分析 可控性和可观测性是现代控制理论的核心判据。本章详述了利用可控性矩阵 $mathcal{C}$ 和可观测性矩阵 $mathcal{O}$ 来判断系统的全局可控性与可观测性。特别地，我们将深入探讨如何利用 单重积分法 和 双重积分法 检验矩阵秩的有效性。对于不可控或不可观测的子系统，本章解释了其对系统性能的限制，并介绍了如何通过适当的坐标变换将系统分解为可控/可观测部分与不可控/不可观测部分。 第五章：能控标准型与能观标准型 为了简化控制器和观测器的设计，本章阐述了如何将 LTI 系统变换到易于处理的标准型，如能控标准型（Controllable Canonical Form）和能观标准型（Observable Canonical Form）。这些标准型直接暴露了系统的动态参数，使得极点配置和观测器设计变得更为直观和系统化。 第六章：反馈系统的性能评估与 Luenberger 观测器 本章将分析状态反馈对系统性能的影响。核心内容是 极点配置（Pole Placement） 技术，即如何通过状态反馈 $mathbf{u} = -mathbf{K}mathbf{x}$ 将闭环系统的特征多项式设计到期望的位置。随后，针对无法完全测得所有状态变量的情况，本章详细介绍了 Luenberger 状态观测器的设计原理、结构，以及如何通过分离原理确保观测器误差系统的稳定性和快速收敛性。 第三部分：最优控制与现代设计方法 本部分转向更具普遍性和优化性的控制设计范式，重点关注如何使控制性能指标（如能量消耗、误差平方和）达到最优。 第七章：二次型性能指标与 LQR 控制器 二次型调节器（LQR）是现代控制设计中最具影响力的工具之一。本章定义了标准的二次型性能指标函数 $J = int_{0}^{infty} (mathbf{x}^Tmathbf{Q}mathbf{x} + mathbf{u}^Tmathbf{R}mathbf{u}) dt$，并推导了求解最优反馈增益矩阵 $mathbf{K}$ 所依赖的 代数黎卡提方程（ARE）。求解 ARE 的方法，包括迭代求解法和基于特征值分解的解析法，将在本章中进行详尽的步骤说明。 第八章：基于输入约束的最优控制 在实际工程中，控制器的输出能力（输入饱和）是必须考虑的限制。本章探讨了在存在输入约束条件下的最优控制问题。我们将引入 极大值原理（Pontryagin's Maximum Principle） 的基本思想，作为求解非线性、有时甚至带约束问题的理论基础，并将其应用于求解带有控制输入的线性系统 Bang-Bang 控制问题，展示最优控制在开关控制设计中的潜力。 第九章：离散时间最优控制与采样控制 针对数字控制器和计算机控制系统，本章详细阐述了离散时间 LQR（DLQR）的设计过程，包括离散时间代数黎卡提方程（DARE）的求解。此外，还讨论了系统采样对最优性能的影响，以及如何在有限时间区间内设计有限时域的最优控制器。 第四部分：鲁棒性与先进控制主题 本部分拓展到对不确定性和外部扰动具有抵抗力的控制系统设计。 第十章：系统的鲁棒性基础 本章引入了对模型不确定性的描述，例如参数微小变化或未建模动态。我们将利用 小增益定理（Small Gain Theorem） 的基本思想，解释系统稳定性和鲁棒性之间的关系。同时，讨论了特征值分析在评估闭环系统对参数变化的敏感性时的应用。 第十一章：H-无穷（$H_infty$）控制导论 $H_infty$ 控制是处理不确定性和外部干扰的强大工具。本章介绍了描述不确定性结构和性能指标的 $H_infty$ 范数。核心内容是 $H_infty$ 控制器的设计框架，主要围绕 广义植物（Generalized Plant） 的建立，以及求解 加权黎卡提不等式（WLMI） 的概念，旨在最小化系统输出对外部扰动的敏感度。 第十二章：非线性系统的初步处理 本章对非线性系统的复杂性进行概述，并提供处理非线性系统（特别是在平衡点附近的系统）的实用技术。重点介绍 反馈线性化（Feedback Linearization） 的基本原理，该方法通过巧妙的坐标变换和状态反馈，将某些非线性系统转化为可利用线性控制技术处理的系统，为复杂机械和航空航天系统的控制设计提供了切入点。 本书的编写风格力求清晰、逻辑性强，理论推导详实，并配有丰富的图示和推演过程，确保读者能够系统地掌握现代控制理论的精髓，并能将其应用于解决复杂的工程控制问题。

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这本书的封面设计简直是视觉上的灾难，那种老式的、色彩搭配毫无章法的排版，让人一看就觉得内容会非常枯燥乏味，充满了上个世纪的设计哲学。我原本对它抱有一些期待，毕竟“机械结构设计准则”听起来应该是个严肃、严谨的专业书籍，但翻开扉页，那字体选择和行距处理，简直是对现代设计美学的公然冒犯。更糟糕的是，内页的插图质量，很多机械零件的剖视图模糊不清，线条生硬，连最基本的标注都显得含糊其辞，这对于需要精确理解结构细节的设计工作来说，是致命的缺陷。我花了好大力气才适应这种阅读体验，感觉就像在跟一本老旧的、保存不善的工具书较劲，而不是在学习前沿的设计理念。阅读过程中，我多次因为找不到清晰的图示而不得不停下来，自己用笔在草稿纸上重新绘制，这极大地打断了我的学习节奏和思路的连贯性。

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这本书的编排逻辑实在令人费解，完全没有体现出工程师思维中那种从宏观到微观、从需求到实现的递进关系。章节之间的跳跃性很大，有时候突然插入一些与上下文关联不大的材料科学知识，然后又很快切回到某个特定连接件的设计规范，让人感觉作者像是把所有收集到的资料一股脑地倾倒在了纸面上，缺乏一个清晰的、引导性的叙事线索。我尝试按照目录的顺序阅读，但很快就迷失了方向，需要不断地翻阅索引才能确定某个概念出现在哪个不相干的章节里。对于需要快速查阅特定设计参数或规范的工程师来说，这种结构无疑是极大的效率杀手，我宁愿使用索引明确、结构清晰的标准化手册，也不愿在这种松散的结构中浪费时间去“考古式”地寻找信息。

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这本书在理论阐述上的深度，只能用“浅尝辄止”来形容，完全没有达到我期望中“准则”应有的权威性和系统性。它似乎更像是一本面向初学者的入门手册，勉强罗列了一些基本的力学概念和设计规范，但对于如何在高负荷、复杂工况下进行创新性结构优化，书里几乎没有提供任何有价值的见解。我特别关注了关于疲劳分析和可靠性设计的章节，结果发现其论述过于笼统，缺乏必要的数学模型和实际案例支撑。比如，提到应力集中时，给出的修正系数似乎是经验值而非基于严谨分析得出的，这使得我很难将其应用到我正在进行的高精度设备设计中去。说实话，我更倾向于去查阅那些专注于特定结构分析的国际期刊论文，它们提供的分析深度和严谨性，远超本书所能提供的范畴。

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关于版权和引用规范的严谨性，这本书也存在明显的瑕疵，这在学术和专业书籍中是不能容忍的。多次在提及一些关键的结构设计公式或特定材料性能数据时，作者未能清晰地标明其原始出处，让人不禁怀疑这些信息的准确性和原创性。更令人不悦的是，一些图表似乎是直接从其他出版物中截取并做了粗糙的修改，连图例的单位都未做统一转换，这使得读者在引用或参考这些内容时，必须额外花费大量精力进行交叉验证。一本好的设计准则，其信誉的基础在于其信息的可靠性和来源的透明度。本书在这方面表现出的疏忽，严重削弱了其作为一本“准则”的专业权威性，让我对书中所呈现的其他所有技术内容都产生了挥之不去的疑虑。

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作为一本声称包含“实例”的著作，这本书提供的案例分析显得极其单薄和过时。那些被选中的实例，大多是几十年前的成熟产品，对于理解现代制造业中常见的轻量化、复合材料应用以及数字化仿真（如有限元分析后的结构调优）几乎没有任何参考价值。我试图从中寻找一些关于增材制造结构设计或柔性机构的讨论，结果一无所获。每一个“实例”的介绍都停留在三维建模的初级阶段，缺乏对设计决策背后复杂权衡过程的深入剖析。例如，当书中讨论某个轴承座的选型时，仅仅是给出了一个结论，却没有详细对比不同摩擦学特性、不同装配公差对系统长期稳定性的综合影响，这使得读者无法真正学会“如何思考”设计问题，只能机械地模仿书本上的结论，而机械设计最忌讳的就是这种僵化的模仿。

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