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出版者:清华大学出版社

作者:张嗣瀛

出品人:

页数:357

译者:

出版时间:2006-10

价格:33.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787302128038

丛书系列:

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• 控制理论
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《工程控制系统设计与分析》 简介 《工程控制系统设计与分析》一书深入探讨了现代工程领域中控制系统的基本原理、设计方法和分析技术。本书旨在为读者提供一个全面而系统的视角，理解和掌握如何构建、优化和评估各种工程应用中的自动控制系统。全书结构清晰，逻辑严谨，从基础概念入手，逐步深入到高级主题，力求使读者不仅理解理论，更能熟练运用到实际工程问题中。 第一部分：控制系统的基础与建模 本部分奠定了读者对控制系统理解的基石。首先，我们将从“什么是控制系统”这一最基本的问题开始，阐述其在现代社会中的广泛应用和重要性。我们将区分开闭环控制和开环控制的本质区别，并介绍闭环控制系统为何在提高精度、鲁棒性和抗干扰能力方面具有显著优势。 接着，我们将深入探讨各种工程系统中常见的动态系统的数学建模。这包括对物理系统的深入理解，例如机械系统（弹簧-质量-阻尼器、旋转系统）、电气系统（RLC电路、电机模型）、液压/气动系统以及热力系统等。我们将介绍不同建模方法，如牛顿定律、基尔霍夫定律、能量守恒原理等，并重点讲解如何将这些物理定律转化为数学方程。 在获得系统方程后，我们将介绍如何将其转化为更便于分析和设计的形式，主要包括： 微分方程表示： 这是描述系统动态行为的直接数学语言。我们将介绍如何对方程进行整理和简化。 传递函数表示： 特别是在线性时不变（LTI）系统领域，传递函数是在拉普拉斯域中描述系统输入输出关系的强大工具。我们将详细讲解传递函数的概念，包括其在频率域的解释，以及如何从系统微分方程推导得到传递函数。 状态空间表示： 这种方法在处理多输入多输出（MIMO）系统、非线性系统以及需要考虑系统内部状态的场景时尤为重要。我们将介绍状态向量、状态方程和输出方程，并展示如何将传递函数与状态空间表示相互转换。 在掌握了基本的建模方法后，我们将进一步讨论系统的基本时域响应特性。这包括单位阶跃响应、单位脉冲响应等，并通过分析这些响应，来直观地理解系统的行为，例如系统的响应速度、超调量、稳态误差等。我们将引入典型的二阶系统作为分析的重点，探讨阻尼比和自然频率对系统响应的影响，并介绍如何根据性能指标选择合适的系统参数。 第二部分：线性时不变（LTI）系统的分析 本部分将聚焦于 LTI 系统的频率域分析和稳定性分析。频率域分析是理解系统在不同频率信号作用下行为的关键。 频率响应： 我们将深入研究系统的频率响应，即系统对不同频率正弦输入信号的响应特性。通过伯德图（Bode plot）、尼奎斯特图（Nyquist plot）和根轨迹图（Root locus plot）等图形工具，我们可以直观地分析系统的频率特性、稳定裕度和动态行为。 伯德图： 详细讲解如何绘制和解读伯德图，包括幅频特性和相频特性。我们将介绍低通、高通、带通和带阻滤波器等典型频率响应的特点，以及伯德图在系统稳定性和性能评估中的应用。 根轨迹： 介绍根轨迹的概念，它描绘了系统闭环极点随开环增益变化的轨迹。通过分析根轨迹，我们可以预测系统在不同增益下的稳定性以及响应速度，并指导我们进行系统设计。 稳定性分析： 稳定性是控制系统设计中最基本也是最重要的要求。我们将介绍多种稳定性判断方法： 代数稳定判据： 如劳斯-赫尔维茨（Routh-Hurwitz）判据，它通过检查系统特征方程的系数来判断稳定性，而无需计算极点。 频率域稳定判据： 如尼奎斯特（Nyquist）判据和增量稳定性（Gain Margin）/相角裕度（Phase Margin）分析。这些判据将系统的稳定性与频率响应联系起来，为设计控制器提供了重要的指导。 第三部分：控制器设计 在充分理解了系统的分析方法后，本部分将着重于如何设计控制器来满足特定的性能要求。我们将介绍各种经典的控制器类型，并讲解它们的设计原理和适用场景。 PID 控制器： 这是目前应用最广泛的控制器类型。我们将详细介绍比例（P）、积分（I）和微分（D）三个控制作用的物理意义和数学形式，以及如何通过调整这三个参数来优化系统的性能，例如消除稳态误差、提高响应速度、抑制超调量等。我们将介绍几种常用的 PID 整定方法，包括手动整定法、齐格勒-尼克斯（Ziegler-Nichols）法等。 超前/滞后校正： 介绍如何通过引入超前或滞后校正环节来改善系统的频率响应特性，从而提高系统的稳定性或动态性能。我们将分析这些校正环节对系统幅频和相频特性的影响，以及如何设计它们以达到预期的效果。 前馈控制： 讲解前馈控制的概念，即在扰动发生之前就进行补偿，从而提高系统的抗干扰能力。我们将分析前馈控制与反馈控制的结合使用，以及如何在系统中实现有效的前馈控制。 极点配置（Pole Placement）： 在状态空间框架下，极点配置是一种强大的设计技术。我们将介绍如何通过选择合适的反馈增益矩阵，将闭环系统的极点配置到期望的位置，从而实现对系统动态响应的精确控制。 第四部分：进阶主题与现代控制方法 本部分将拓展到更高级的主题，包括对非线性系统的初步认识以及现代控制理论的一些核心概念。 非线性系统的基本概念： 尽管本书主要聚焦于 LTI 系统，但我们将简要介绍非线性系统的特性，例如饱和、死区、间隙等非线性现象，以及非线性系统分析的挑战。 鲁棒控制： 探讨当系统参数存在不确定性时，如何设计能够保持良好性能的控制器。我们将介绍鲁棒控制的基本思想，以及一些常用的鲁棒控制技术。 模型预测控制 (MPC) 简介： 介绍 MPC 的基本原理，即利用系统的模型对未来一段时间的系统行为进行预测，并根据预测结果优化控制器的输出。MPC 在处理约束和多变量系统方面具有显著优势，并在工业界得到越来越广泛的应用。 数字控制系统： 介绍将连续时间控制系统转换为离散时间数字控制系统的过程，包括采样、量化和数字滤波等概念。我们将讲解数字控制器设计的基本方法，以及数字控制器在实际应用中的优势。 本书特色 理论与实践并重： 本书在讲解理论知识的同时，大量穿插了实际工程案例和应用背景，帮助读者理解理论的实际意义。 图形化辅助理解： 大量使用伯德图、根轨迹图、状态轨迹图等图形工具，直观地展示系统特性和控制器设计效果。 循序渐进的教学法： 内容安排从易到难，确保读者能够逐步掌握复杂的控制理论概念。 清晰的数学推导： 对关键的数学公式和定理都进行了详细的推导，方便读者深入理解。 强调分析与设计的统一： 强调分析是设计的基础，设计是实现性能的手段，二者紧密结合。 适用读者 本书适合于机械工程、电气工程、自动化、航空航天、化工过程控制等相关专业的本科生、研究生，以及从事工程控制系统设计、研发、应用和维护的工程师。通过阅读本书，读者将能够构建、分析和优化各种工程领域的控制系统，为解决实际工程问题奠定坚实的理论基础和实践能力。

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这本书的文笔和结构布局给我带来了耳目一新的感觉，它成功地将一个通常被认为是枯燥乏味的学科，描绘成了一幅充满逻辑美感的画卷。特别欣赏作者在引入新概念时所采用的“类比”手法，例如用“信息熵”的概念来解释系统的不确定性对控制性能的影响，这种跨学科的视角极大地拓宽了读者的思维边界。我特别关注了书中关于“自适应控制”的部分，作者对基于模型参考自适应控制（MRAC）的收敛性证明给出了非常清晰的、步进式的分解，即便是复杂的迪里希莱条件，也能被拆解成易于理解的小块。阅读体验非常流畅，章节之间的过渡自然平滑，几乎没有阅读障碍感。总而言之，这是一部既能满足理论研究的深度要求，又能兼顾工程应用广度的典范之作，对于任何希望在自动控制领域深耕的人来说，它都是一本不可多得的、值得反复研读的珍贵文献。

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说实话，刚开始接触这本书时，我有些畏惧它的厚度和理论深度，毕竟“现代控制理论”这个名字本身就带着一种难以企及的高冷感。但阅读过程中的体验却远超我的预期。这本书的叙述方式非常“手性”，它总能在你快要迷失在复杂的矩阵运算和微分方程组时，及时地用一段精炼的文字帮你锚定方向，告诉你我们现在在干什么，为什么要这么干。特别是关于“卡尔曼滤波”那一章，作者没有直接堆砌滤波器的公式，而是花了相当大的篇幅去解释噪声模型和状态估计的重要性，这种由浅入深、注重背景知识铺垫的讲解方式，使得即便是初次接触自适应控制概念的我，也能跟上思路。它更像是一位经验丰富的老教授在耐心地为你拆解难题，而不是一本冰冷的公式手册。书中的排版和字体选择也值得称赞，阅读体验非常舒适，长时间阅读也不会感到视觉疲劳。唯一略感遗憾的是，如果书中能增加更多实际工程应用中的仿真实例代码片段（比如Matlab/Simulink的脚本），那就更完美了，毕竟理论联系实际是检验真理的唯一标准嘛。

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作为一名已经工作多年的工程师，我更关注的是如何将这些高深的理论快速有效地应用到工业自动化和机器人控制中去。这本《现代控制理论》在这方面的衔接工作做得相当出色。它没有停留在纯粹的数学推导层面，而是将诸如“奇异系统”、“时间延迟系统”等在实际设备中经常遇到的复杂情况也纳入了讨论范围。尤其是关于“滑模变结构控制（SMC）”的章节，不仅详细解释了抖振现象的产生原因，还介绍了如何利用先进的切换策略来抑制这种高频振荡，这对于设计高精度伺服系统来说至关重要。全书的逻辑链条非常完整，从线性到非线性，从确定性到随机性，构建了一个完整的知识体系。读完之后，我感觉自己对现有设备控制器的优化思路豁然开朗，很多以前凭经验调整的参数，现在都有了扎实的理论依据可以去验证和改进。这本书与其说是理论教材，不如说是一本解决实际工程难题的“方法论宝典”。

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我对控制理论研究中的“鲁棒性”问题一直非常头疼，总觉得各种不确定性参数的处理起来很棘手。这本书在阐述$mathcal{H}_infty$控制方法时，展现出了极高的水准。作者没有采用过于简化的模型来敷衍这个问题，而是非常扎实地从奇异值分解和保加界不变性的角度切入，逐步构建起稳定的性能指标。我花了整整两天时间才把这一部分完全吃透，但收获是巨大的。书中所选取的范例不仅具有代表性，而且难度适中，能很好地检验读者对该理论的掌握程度。这种对细节的精雕细琢，体现了作者在学术上的严谨态度。此外，书中对不同控制流派（如PID、极点配置、最优控制）的对比分析也非常到位，清晰地指出了各自的适用范围和局限性，帮助读者形成一个宏观的理论框架，避免了在实际工程中“只见树木不见森林”。它让我明白，控制理论的发展并非孤立的，而是不断权衡、取舍和迭代优化的过程。

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这本《现代控制理论》的封面设计得非常引人注目，色彩搭配沉稳又不失科技感，一看就知道是本硬核的专业书籍。我拿到手后首先翻阅了目录，内容组织结构非常清晰，从基础的系统建模、时域分析开始，逐步深入到状态空间法、最优控制、鲁棒控制等前沿领域。我对其中关于“非线性系统分析与控制”的章节尤其感兴趣，作者在阐述李雅普诺夫稳定性理论时，引用了大量的经典案例进行推导，让原本抽象的概念变得触手可及。书中丰富的图示和清晰的数学推导过程，极大地帮助我理解了复杂的控制算法背后的物理意义。作者的行文风格严谨又不失启发性，不仅仅是罗列公式，更注重引导读者思考控制系统设计的本质目标。对于正在进行毕业设计或者准备考研的同学来说，这本书绝对是案头的必备良书，可以作为教科书的有力补充，甚至在某些深度上超越了标准的教材。我特别喜欢它在章节末尾设置的“思考题”，这些题目往往能引人深思，促使读者不仅仅停留在“会用”的层面，更能达到“理解”的境界。

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即使学过一遍了，再看还是有好多地方陌生，对那些证明过程还会有更深一步的理解。 比郑大钟的差好多。 错误太多了，讲的有点混乱。

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即使学过一遍了，再看还是有好多地方陌生，对那些证明过程还会有更深一步的理解。 比郑大钟的差好多。 错误太多了，讲的有点混乱。

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即使学过一遍了，再看还是有好多地方陌生，对那些证明过程还会有更深一步的理解。 比郑大钟的差好多。 错误太多了，讲的有点混乱。

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即使学过一遍了，再看还是有好多地方陌生，对那些证明过程还会有更深一步的理解。 比郑大钟的差好多。 错误太多了，讲的有点混乱。

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比那一本详细多了