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出版者:科学出版社

作者:颜文俊

出品人:

页数:333

译者:

出版时间:2006-6

价格:28.00元

装帧:

isbn号码:9787030172136

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工程世界的精准脉动：自动控制的艺术与科学 在现代工业、航空航天、生物医学乃至日常生活的方方面面，都离不开一个核心概念的支撑——自动控制。它如同无形之手，精准地引导着系统的运行，确保它们按照预设的轨迹平稳、高效、安全地工作。本书旨在揭开自动控制的神秘面纱，带领读者深入探索这一充满挑战与魅力的工程学科。 从基础出发，构建坚实的理论基石 本书的开篇将从自动控制最基本的概念入手。我们将清晰地界定“系统”与“控制器”的内涵，理解反馈机制的强大力量——如何通过测量输出并将其与期望值进行比较，从而动态地调整系统的输入，实现目标。我们将深入剖析开环控制与闭环控制的区别与联系，体会闭环控制在提高系统鲁棒性、抑制扰动方面的卓越表现。 为了准确地描述和分析动态系统，数学建模是不可或缺的工具。本书将系统地介绍建立系统数学模型的方法，包括微分方程、传递函数以及状态空间表示。我们将学习如何将物理世界的运动规律、电路的电磁特性、流体的力学行为等抽象为数学语言，为后续的分析与设计奠定坚实的基础。对于初学者而言，这部分内容将以清晰易懂的方式呈现，辅以丰富的实例，帮助读者克服初期的数学障碍，建立直观的理解。 洞察系统动态，掌握分析的利器 一旦系统被成功建模，分析其动态行为就成为可能。本书将引导读者掌握一系列强大的分析工具。时域分析是理解系统响应过程的直观方式。我们将学习如何分析系统的阶跃响应、脉冲响应，理解超调量、调节时间、稳态误差等关键性能指标的含义，并探讨这些指标与系统参数之间的关系。 频率响应分析是另一种不可或缺的视角。通过傅里叶变换，我们可以将系统行为从时域转换到频域，从而揭示系统对不同频率信号的响应特性。我们将学习伯德图、奈奎斯特图等频率响应图的绘制与解读，理解幅频特性与相频特性如何反映系统的稳定性与动态性能。这些工具将帮助我们理解系统在面对不同扰动和信号时的行为模式。 为了更全面地评估系统的稳定性，本书将深入介绍稳定性判据。我们将学习如何利用劳斯-霍尔维茨判据、根轨迹法等工具，在参数空间内确定系统的稳定边界，从而避免设计出失控的系统。稳定性是自动控制的首要目标，理解这些判据将使读者具备评估和预测系统行为的能力。 设计精妙控制器，驾驭系统走向成功 理论分析的最终目的是为了更好地设计控制器。本书将系统地介绍各种经典的PID（比例-积分-微分）控制器设计方法。我们将深入剖析比例（P）、积分（I）和微分（D）三个环节各自的作用，以及它们如何组合起来，针对不同类型的系统和性能要求进行调整。读者将学会如何根据时域和频域的性能指标，以及系统的实际工况，优化PID参数，实现令人满意的控制效果。 除了PID控制器，本书还将介绍其他重要的控制器设计方法，如前馈控制、超前/滞后校正等。前馈控制通过预测系统的扰动并提前进行补偿，能够显著提高系统的跟踪精度和鲁棒性。超前/滞后校正则是在频率域内对系统进行补偿，以改善系统的相位裕度和增益裕度，从而提升稳定性。 对于更复杂的系统，状态空间设计方法提供了更强大的设计能力。本书将介绍如何基于状态空间模型设计状态反馈控制器。我们将学习李雅普诺夫稳定性理论，理解如何通过状态反馈矩阵的设计，实现任意极点配置，从而获得期望的系统动态性能。 探索现代控制理论的广阔天地 随着计算能力的提升和理论的深入，现代控制理论应运而生，并展现出强大的生命力。本书将带领读者初步领略现代控制理论的风采。我们将介绍最优控制的基本思想，理解如何为系统寻找最优的控制策略，以最小化某个性能指标。其中，我们将接触到如LQR（线性二次调节器）等经典的最优控制算法。 模型预测控制（MPC）作为一种先进的先进控制策略，近年来得到了广泛的应用。我们将介绍MPC的核心思想：基于系统模型，在有限的预测时域内，通过求解优化问题来确定当前时刻的最优控制量，并将其应用于下一时刻的控制。MPC能够有效地处理多变量系统、约束条件以及非线性系统，展现出其在复杂工业过程控制中的巨大潜力。 此外，本书还将触及一些前沿的控制理论概念，如自适应控制、鲁棒控制、模糊控制和神经网络控制等。这些理论方法能够应对模型不确定性、参数变化以及非线性等挑战，为解决实际工程中的复杂控制问题提供了新的思路和工具。 理论联系实际，案例分析与实践指导 为了帮助读者将所学知识融会贯通，本书将穿插大量的工程实例。我们将分析不同领域的自动控制应用，如工业生产线上的机器人控制、飞行器的姿态稳定系统、汽车的巡航控制系统、甚至温室的温度调节系统。通过对这些实例的深入剖析，读者将能够深刻理解自动控制理论在解决实际工程问题中的应用价值。 此外，本书还将提供必要的实践指导。对于想要动手实践的读者，我们将介绍常用的控制系统仿真软件（如MATLAB/Simulink），并提供一些基础的仿真案例，帮助读者通过仿真来验证理论、调试控制器、并加深对控制系统动态行为的理解。 本书的价值与目标读者 本书致力于为读者提供一个全面、系统、深入的自动控制理论学习路径。我们力求在理论深度与易懂性之间取得平衡，让即使是初学者也能循序渐进地掌握自动控制的核心概念与方法。对于已经具备一定基础的学生或工程师，本书将提供更深入的理论拓展和更广阔的视野。 学习自动控制，不仅仅是掌握一套工程技术，更是培养一种系统思维、分析能力和解决问题的能力。它能够帮助我们理解世界运作的内在逻辑，并有机会参与到塑造未来智能世界的进程中。 无论您是正在为工程学业打下坚实基础的学生，还是希望在工作中提升自动化和智能化水平的工程师，亦或是对工程领域的精密与智慧充满好奇的求知者，本书都将是您探索自动控制世界的理想向导。让我们一起，用精准的理论，驾驭动态的世界，实现工程的无限可能。

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这本书的风格是那种非常严谨、带有学术气质的，但又不失教学的温度。它在引入**频率响应分析法**时，明显地展现了作者对经典控制学派精髓的把握。例如，在讲解**奈奎斯特判据**时，作者没有直接给出“包围点”的结论，而是通过绘制开环频率响应曲线，一步步引导读者理解相角裕度和幅值裕度如何直观地反映系统的鲁棒性。这种“推导式”的教学方法，极大地增强了读者的求证欲和探索欲。更令人称道的是，它对**PID控制器**的优化和改进部分的处理。书中没有简单地罗列各种变种，而是深入分析了比例、积分、微分项在抑制扰动、减小超调和加速响应时间这三者之间的矛盾与平衡，并提供了一套基于工程经验的**Ziegler-Nichols整定法**的实际操作指南，配有大量的表格和计算示例。对于像我这样需要将理论应用于工业现场的人来说，这种兼顾数学严谨性与工程实用性的平衡点把握得恰到好处，让人感到这本书的价值不仅仅停留在理论层面，更是一本实用的案头参考手册。

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我必须得提一下这本书在处理**数字控制系统**这一前沿部分时所展现出的远见和深度。很多同类书籍在讲到离散化时，往往只是简单地用前向差分或后向差分草草带过，但这本书却用了一整章的篇幅，详细对比了**零阶保持器（ZOH）和一阶保持器（FOH）**对系统动态性能的影响，特别是它们在引入离散化误差和相移上的差异，分析得非常透彻。作者还非常负责任地探讨了**采样周期选择的敏感性问题**，提醒读者如何在采样速度和计算资源之间做出权衡，这是非常宝贵的实践经验。在介绍**数字滤波器设计**时，它没有回避Z域分析的复杂性，而是通过对比S域和Z域的映射关系，帮助读者建立起直观的联系。读到后面，关于**有限字长效应**的讨论，更是让我感到震惊，作者竟然能将这种对实际硬件实现至关重要的细节纳入进来，并分析了量化噪声对系统稳定性的潜在威胁。这表明作者不仅仅是在传授一套理论，而是在培养一个能够应对真实世界复杂性的工程师。

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整体来看，这本书的阅读体验是渐进式、螺旋上升的，它成功地将控制理论的“物理直觉”和“数学工具”完美地融合在了一起。与市面上一些侧重于优化算法或纯粹数学推导的教材不同，它对**鲁棒控制基础概念**的引入是极其审慎和有条理的。例如，在介绍$mathcal{H}_{infty}$控制的背景时，它首先用**小增益定理**的直观思想，清晰地解释了为什么系统对模型不确定性如此敏感。它没有直接跳入复杂的矩阵不等式求解，而是先建立起“性能”与“鲁棒性”之间内在的、难以调和的矛盾。这种循序渐进的铺垫，使得读者在接触到**结构化奇异值（Structured Singular Value, $mu$）**分析时，能够更快速地理解其几何意义和工程应用价值。全书的论述逻辑严密，论据充分，对于任何希望系统性、深入性掌握控制理论精髓的专业人士而言，这都是一本不可多得的经典之作，它不仅仅是知识的传递，更是一种思维方式的塑造。

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这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，那种略带复古的米白色纸张，搭配上深邃的墨绿色封面，给人一种沉静而又专业的阅读体验。初翻开时，我特别留意了目录结构，可以看出作者在编排上是下了大功夫的。它不是那种堆砌公式的传统教科书，而是更侧重于逻辑的构建和知识点的自然过渡。比如，它对经典控制系统中的**时域分析方法**讲解得极为细致，尤其是在处理非线性系统的小范围线性化近似时，作者引入了一些非常直观的几何解释，这对我理解李雅普诺夫稳定性理论的早期雏形非常有帮助。我记得其中一章专门探讨了**根轨迹法**，不仅仅是教你如何“画图”，更深入地剖析了增益K值变化对系统极点位置的影响机制，甚至还穿插了几个实际工程案例，比如某个伺服机构的响应优化过程，这使得枯燥的代数运算变得“有血有肉”。另外，排版上采用了大量的示意图和流程图，线条清晰，箭头标注准确无误，这对于需要快速定位信息的读者来说，无疑是一个巨大的加分项。虽然内容深度很高，但作者似乎很注意保持阅读的流畅性，尽量避免了不必要的术语堆砌，使得初学者在啃下核心概念后，能够较为平顺地过渡到更复杂的现代控制理论部分。

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这本书在处理**现代控制理论**，特别是**状态空间法**这一块的阐述，简直可以用“庖丁解牛”来形容。它没有急于抛出复杂的矩阵微分方程，而是先花了很大篇幅来铺垫“系统模态”和“状态向量”的物理意义。作者巧妙地将传统的传递函数模型与新的状态变量模型进行了多角度的等价性论证，让我清晰地认识到，状态空间方法本质上是一种更全面、更基础的描述视角，尤其是在处理多输入多输出（MIMO）系统时，其优势体现得淋漓尽致。我对其中关于**能控性和能观测性**的讨论印象最为深刻。作者不仅给出了判别矩阵的构建方法，还结合了系统物理实现中的具体限制——比如传感器放置的位置和执行器的驱动能力——来解释为什么这两个性质至关重要，这远远超越了一般教材中仅仅停留在数学判定层面的介绍。读完这部分，我感觉自己对如何设计一个“好”的控制系统有了更深层次的理解，不再满足于“能稳定”就行，而是开始追求“结构合理”和“易于实现”。书中甚至还涉及了一些关于**极点配置**的高级技巧，讲解得深入浅出，让人在掌握工具的同时，也体会到了设计者的匠心独运。

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最后一天,大雪...

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这本书错误特别多，特别是公式推导过程中的经常出现。

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