自动控制原理及系统实验

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出版者:重庆大学出版社
作者:陈今润
出品人:
页数:86
译者:
出版时间:2005-10
价格:10.00元
装帧:简裝本
isbn号码:9787562434825
丛书系列:
图书标签:
  • 自动控制原理
  • 控制系统
  • 系统实验
  • 控制工程
  • 自动化
  • 经典控制
  • 现代控制
  • MATLAB
  • Simulink
  • 控制理论
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具体描述

本实验教材力图构建自动控制原理综合的实验体系,这个体系涵盖模拟仿真、数字仿真和物理模型3种常用实验手段,在实验内容上,由基础性实验演进到综合性实验,再过渡到开放性实验。目的在于改变传统的单纯的验证性的实验模式,提高学生综合应用知识的能力。

  本书第1章简单地概述了自动控制实验的基本情况,介绍了一些相关的数据处理方法;第2章的任务主要是培养学生相关实验的基本技能,在保留部分传统内容的基础上,也结合进了新的内容,如模拟仿真与数字仿真的相互结合。第3章围绕水箱物理模型,设计了3个综合性的实验,实验内容反映了实际情况,由于实验手段更新较大,为这类实验的课堂完成创造了条件。第4章是一些带有开放性的实验。具体实验教学安排可分别从这4章中挑选部分内容组成。

  本教材可与自动控制原理、现代控制理论、最优控制和过程控制等课程配套使用,而且也适用于相关专业研究生的专业实验。

《现代控制理论导论》 本书旨在为读者提供现代控制理论的全面而深入的理解,从基础概念到前沿技术,层层递进。内容涵盖了线性系统理论、状态空间方法、最优控制、可观性与能控性、稳定性分析以及非线性系统的基本概念。 第一部分:线性系统理论基础 本部分首先回顾了经典控制理论中的关键概念,包括传递函数、框图简化、根轨迹、频率响应以及稳定性判据(如劳斯判据)。在此基础上,本书引入了更为强大的状态空间描述方法。读者将学习如何将一个动态系统表示为一组一阶微分方程,并理解状态变量在描述系统内部行为中的重要性。 传递函数与时域响应: 深入探讨了如何通过传递函数分析系统的瞬态响应(如阶跃响应、脉冲响应)和稳态响应。将详细介绍阻尼比、自然频率、上升时间、超调量、峰值时间和稳态误差等关键性能指标,并提供系统分析和设计中的应用实例。 频率域分析: 详细阐述了奈奎斯特稳定性判据、波特图和尼科尔斯图等频率域分析工具。读者将掌握如何利用这些工具评估系统的稳定性、动态性能以及抗干扰能力,并理解它们在滤波器设计和系统稳定性裕度确定中的作用。 根轨迹法: 深入解析了根轨迹法的原理及其在反馈控制系统设计中的应用。将详细介绍根轨迹的绘制方法、开环极零点对闭环极点位置的影响,以及如何利用根轨迹调整系统的动态性能。 状态空间描述: 本节将详细介绍连续时间和离散时间系统的状态空间表示。读者将学习如何从物理模型或传递函数导出状态空间方程,理解状态变量的物理意义,并掌握矩阵指数等关键概念。 离散时间系统: 介绍了离散时间系统的分析方法,包括Z变换、离散时间传递函数和离散状态空间表示。讨论了采样定理、零阶保持器等概念,为数字控制系统的设计奠定基础。 第二部分:现代控制理论的核心概念 本部分聚焦于现代控制理论的核心工具和方法,重点关注状态空间分析与设计。 可控性与可观性: 这是现代控制理论的基石。本书将详细解释可控性和可观性的概念,并通过数学推导和实例演示,帮助读者理解它们对系统分析和控制器设计的重要性。读者将学习如何利用能控性矩阵和能观性矩阵来判断系统的可控性和可观性,并理解它们在状态反馈和状态估计中的作用。 状态反馈控制: 详细介绍了状态反馈控制的设计方法,包括极点配置(极点配置)技术。读者将学习如何通过选择合适的状态反馈增益矩阵来任意配置闭环系统的极点,从而达到期望的动态性能。本书将提供不同设计方法的比较和优缺点分析。 状态估计(观测器设计): 对于无法直接测量所有状态变量的系统,状态估计器(观测器)是必不可少的。本书将详细介绍Luenberger观测器及其各种变体,包括最小阶观测器和扩展卡尔曼滤波器(EKF)的初步概念。读者将学习如何设计观测器来估计系统的状态,并理解观测器极点配置的原理。 最优控制: 本部分将引入最优控制理论,重点是线性二次调节器(LQR)。读者将学习如何根据性能指标(如二次型性能指标)来设计最优状态反馈控制器,以最小化系统的性能代价。本书将涉及Riccati方程的求解和LQR控制器的实现。 Lyapunov稳定性分析: 介绍了Lyapunov稳定性理论,这是分析非线性系统稳定性的强大工具。读者将学习如何利用Lyapunov直接法和间接法来判断系统的稳定性,并理解Lyapunov方程在稳定性分析中的作用。 第三部分:进阶主题与应用 在掌握了现代控制理论的基础后,本部分将进一步探讨一些进阶主题和实际应用。 非线性系统的初步分析: 介绍了非线性系统的基本概念,包括平衡点、线性化、以及简单的非线性控制方法(如反馈线性化)。 数字控制系统设计: 结合离散时间系统分析,详细介绍数字PID控制器、状态空间数字控制器和观测器的设计方法。 鲁棒控制与自适应控制的简介: 简要介绍了鲁棒控制和自适应控制的基本思想,以及它们在处理模型不确定性和时变参数系统时的应用前景。 控制系统仿真与实践: 强调了仿真在控制系统设计和验证中的重要性,并介绍了常用的仿真工具(如MATLAB/Simulink)在分析和实现控制策略中的应用。 本书力求内容严谨,逻辑清晰,并辅以大量的例题和图示,帮助读者理解抽象的理论概念。通过对本书的学习,读者将能够深入理解和掌握现代控制理论的核心思想,为进一步研究更复杂的控制问题打下坚实的基础,并能够将所学知识应用于实际的工程问题中。本书适合自动化、电气工程、机械工程、航空航天等相关专业的本科高年级学生、研究生以及从事控制系统设计和研究的工程师阅读。

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读后感

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用户评价

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PID控制器作为现代工业控制中最广泛使用的控制器之一,在这本教材中的讲解深度令人称道。作者从PID控制器的基本原理出发,详细阐述了比例(P)、积分(I)和微分(D)三个作用的物理意义和对系统性能的影响。更重要的是,书中提供了多种PID参数整定方法,包括试凑法、临界比例法、衰减振荡法以及更为实用的Ziegler-Nichols方法。我特别受益于书中对这些方法在不同应用场景下的优劣分析,以及如何根据实际系统的特性选择合适的整定方法。此外,作者还探讨了PID控制器的改进,如抗积分饱和、抗微分先行等问题,并提供了相应的解决方案,这对于在实际工程中调优PID参数,获得最优控制效果至关重要。

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这本书在系统辨识方面的内容也十分详实,对于从实验数据中建立系统模型提供了有力的理论支持。作者介绍了多种系统辨识方法,包括非参数辨识(如利用阶跃响应或脉冲响应估计系统参数)和参数辨识(如最小二乘法、最大似然法等)。我特别欣赏书中对最小二乘法的深入剖析,不仅讲解了其基本原理,还讨论了其变种,如递归最小二乘法,以及如何处理噪声和模型失配问题。此外,书中的例子也涵盖了如何从实际采集的输入输出数据中辨识系统的传递函数或状态空间模型,这对于在缺乏系统理论模型的情况下进行控制设计非常有帮助,能够将理论研究与实际工程应用紧密结合起来。

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总而言之,《自动控制原理及系统实验》是一本非常优秀且全面的教材,它不仅为我打下了扎实的自动控制理论基础,更重要的是,它通过丰富的实例和详尽的实验指导,将这些理论知识与实际工程紧密联系起来。从系统建模、时域分析、频域分析,到PID控制器设计、现代控制理论、系统辨识以及稳定性理论,书中几乎涵盖了自动控制领域的核心内容。对于任何想要深入了解自动控制的读者来说,这本书都是一本不可多得的宝贵资源。它不仅帮助我理解了“为什么”这样做,更重要的是教会了我“如何”去做,为我今后的学习和实践指明了方向。

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作为一本包含“系统实验”的书籍,其理论与实践的结合是本书最大的价值所在。虽然我在这里评价的是其内容,但正是因为书中详尽的实验指导,我才能够将所学的理论知识付诸实践。例如,书中关于PID控制器参数整定实验的详细步骤,以及如何通过实验来验证不同参数对系统响应的影响,这让我对理论知识有了更直观的理解。此外,关于根轨迹法和频率响应分析的实验,作者也提供了相应的实验框图和数据处理方法,这对于我理解这些抽象概念如何转化为实际的实验操作至关重要。书中的实验涵盖了从基础的单自由度系统到更复杂的系统,为我提供了一个循序渐进的学习路径。

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本书的另一亮点在于其关于现代控制理论的深入探讨,特别是状态空间法的应用。作者从最基本的线性定常状态空间方程开始,介绍了系统的能控性和能观性,并详细阐述了如何通过状态反馈实现极点配置。这部分内容对于理解如何通过改变系统的内部状态来达到期望的控制目标非常有帮助。书中还介绍了最小实现、卡尔曼滤波等先进概念,这些都是现代控制工程中不可或缺的工具。我尤其欣赏作者在讲解状态观测器时,不仅给出了观测器的数学模型,还分析了不同观测器(如Luenberger观测器)的收敛性能,以及如何选择观测器增益来保证快速准确地估计系统状态,这为设计更鲁棒、更高效的控制器提供了理论指导。

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频率域分析是自动控制理论中一个非常重要的章节,而《自动控制原理及系统实验》在这部分的内容深度和广度都给我留下了深刻印象。从奈奎斯特稳定判据的严谨推导,到波特图和尼科尔斯图的绘制及分析方法,作者都进行了细致的讲解。我尤其惊叹于作者如何将抽象的复频率域概念与实际系统的性能指标联系起来,例如通过幅相裕度来衡量系统的稳定性储备,通过穿越频率来估计系统的带宽。书中的例子非常丰富,涵盖了各种典型环节的频率响应特性,并通过组合这些基本环节的频率响应,来分析复杂系统的频率响应。这使得我能够更直观地理解系统在不同频率下的行为模式,为后续控制器设计打下了坚实的基础,尤其是在处理高阶系统或非最小相位系统时,频率域方法展现出了其独特的优势。

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这本《自动控制原理及系统实验》确实是一本内容极其丰富、涵盖面广的教材,我作为一名刚刚接触自动控制领域的学生,在研读的过程中,深深感受到了作者在知识体系构建上的深厚功底。首先,从其理论基础部分说起,关于系统建模的章节,作者不仅仅停留在基本的传递函数和状态空间表示,更进一步深入探讨了各种非线性系统(如饱和、死区、滞环等)的建模方法,并结合了实际工程中的一些常见简化技巧,比如泰勒展开和分段线性近似,这些都为理解复杂的物理系统提供了坚实的基础。在信号流图和梅逊增益公式的应用方面,作者的讲解循序渐进,从最基础的单环路系统到多环路复杂系统,都给出了清晰的推导过程和计算示例,尤其是对于那些初学者容易混淆的“可控可观测性”等概念,通过大量的图示和具体例子,使得抽象的数学描述变得生动易懂。

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关于系统的稳定性分析,本书确实提供了非常全面的视角。除了前面提到的时域和频域方法,作者还深入探讨了李雅普诺夫稳定性理论。从直接法和间接法的基本概念,到如何构造李雅普诺夫函数来判断系统的稳定性,作者都进行了清晰的推导和讲解。书中的例子生动地展示了如何应用李雅普诺夫第二方法来分析非线性系统的稳定性,这对于那些不能简单用线性化方法处理的系统尤为重要。我尤其欣赏作者在讲解中强调了李雅普诺夫函数在证明稳定性时的“非单调性”这一核心思想,以及如何通过选择合适的能量函数来证明系统的全局渐近稳定性,这对于理解更高级的控制理论,如鲁棒控制和自适应控制,具有奠基性的作用。

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线性离散时间系统是现代数字控制的核心内容,而《自动控制原理及系统实验》在这方面的讲解也相当到位。作者从脉冲采样定理开始,介绍了连续时间系统离散化的各种方法,如前向欧拉法、后向欧拉法以及零阶保持器法,并详细分析了不同离散化方法对系统性能的影响。z变换是离散时间系统分析的核心工具,本书对z变换的性质、逆变换以及系统传递函数和脉冲响应的计算都进行了详尽的介绍。我特别受益于书中关于离散系统稳定性判据(如单位圆判据)的讲解,以及如何将时域和频域的分析方法推广到离散系统。此外,离散状态空间方程的分析方法也得到了充分的讨论,这为设计数字控制器提供了理论基础。

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书中的系统时域分析部分,对瞬态响应和稳态响应的分析可谓是淋漓尽致。从典型的单位阶跃响应,到二阶系统的阻尼比和固有频率对响应特性的影响,再到高阶系统的极点位置与系统稳定性的关系,作者都进行了详尽的阐述。我特别欣赏的是,在讲解稳定性分析时,作者不仅介绍了代数稳定性判据(如劳斯判据),还穿插了重要的根轨迹法,并提供了详细的根轨迹绘制步骤和分析方法,这对理解系统参数变化对稳定性的影响至关重要。此外,关于稳态误差的分析,作者也细致地讨论了不同控制器(P、PI、PID)在不同类型系统(0型、I型、II型)下的稳态误差特性,并给出了如何通过调整控制器参数来减小稳态误差的指导性建议,这对于实际工程应用具有极高的参考价值。

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