自动控制原理

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页数:175
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出版时间:2001-9
价格:18.50元
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isbn号码:9787313027412
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  • 自动控制
  • 控制理论
  • 控制系统
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具体描述

《21世纪高职高专通用教材•自动控制原理》系高等职业技术院校电气工程和自动化、计算机、机电一体化、应用电子技术等专业“自动控制原理”课程教程。本着以够用为度、突出应用的原则,书中介绍了经典控制理论及其应用,内容包括:自动控制的一般概念,自动控制的数学模型,时域分析法,根轨迹法、频域分析法,控制系统的校正,非线性系统分析以及采样系统分析等。为便于学习,书中每章均选录了大量的例题与习题,在自动控制理论的具体应用了安排了较大的篇幅加以介绍。

《机械动力学基础》图书简介 第一章 刚体运动学:描述运动的几何学 本章深入探讨描述机械系统中刚体运动的基本数学工具。我们将从基础的位移和速度概念入手,区分平动和转动,并引入角速度和角加速度来精确刻画旋转运动。章节的核心在于欧拉角 (Euler Angles) 和四元数 (Quaternions) 两种主要的旋转描述方法。对于欧拉角,我们将详细分析其优势——直观性,以及固有的局限性,例如万向节死锁 (Gimbal Lock) 现象,并通过具体的例子演示如何通过选择不同的旋转顺序(如ZYX、ZXZ等)来应对不同的工程需求。随后,转向更稳健的四元数表示法,重点阐述其如何提供平滑、无奇异点的旋转插值,这在机器人运动规划和虚拟现实模拟中至关重要。 我们还将介绍刚体的瞬时运动中心 (Instantaneous Center of Zero Velocity, ICZV) 概念,它在分析平面运动的速度分布时提供了一个简洁而强大的几何工具。通过对运动学的精细分析,读者将能够准确地建立复杂机械装置在不同时刻的位置和姿态方程,为后续的动力学分析打下坚实的数学基础。本章末尾将涵盖运动学约束 (Kinematic Constraints) 的数学描述,包括关节、导轨等对运动自由度的限制,为构建实际机械系统的运动学模型做好准备。 第二章 刚体力学:力的平衡与静力学 本章致力于理解作用在静止或匀速运动机械系统上的力与力矩之间的关系。我们将从最基本的力矢量和力矩(或转矩) 的定义出发,强调力矩的计算依赖于参考点和力的作用线。自由体图 (Free-Body Diagram, FBD) 的绘制被提升为核心技能,通过系统性的步骤,确保所有外部作用力、反作用力和约束力都被正确地识别和表示。 静力学的核心是平衡方程 (Equilibrium Equations)。对于三维空间中的刚体,我们将推导出六个独立的平衡方程:三个力的平衡($sum F_x = 0, sum F_y = 0, sum F_z = 0$)和三个力矩的平衡($sum M_x = 0, sum M_y = 0, sum M_z = 0$)。本章将通过大量结构工程和机械设计实例——如桁架分析、梁的支撑反力计算、以及多体系统的静力平衡分析——来巩固这些概念。特别地,我们将讨论等效力系 (Equivalent Force System) 的概念,以及约束力 (Constraint Forces) 的性质(如铰链、滑动接触、滚子等),理解它们如何限制系统的运动自由度,并体现在平衡方程中。 第三章 质点动力学:牛顿-欧拉方法 动力学的核心在于理解力和运动之间的因果关系。本章采用经典且直观的牛顿-欧拉定律来分析单个质点 (Particle) 或忽略自身转动的物体的运动。我们将首先复习牛顿第二定律 $mathbf{F} = mmathbf{a}$,并将其扩展到不同的参考系下,包括惯性参考系和非惯性参考系。 在非惯性系(如随加速度运动的参考系)中,引入假想力 (Fictitious Forces),特别是科里奥利力 (Coriolis Force) 和离心力 (Centrifugal Force),这对于分析旋转机械(如离心泵、陀螺仪)的内部元件至关重要。我们将详细推导这些假想力的表达式,并展示如何将其纳入平衡方程中,从而在运动坐标系下简化分析。 本章还引入了冲量与动量 (Impulse and Momentum) 关系,特别适用于分析碰撞和瞬时大载荷问题。随后,通过对这些基本概念的扩展,我们将分析变质量系统(如火箭喷射、漏料过程)的动力学,这需要应用动量守恒的微分形式,为更复杂的连续介质动力学奠定基础。 第四章 刚体动力学:牛顿-欧拉方程的应用 本章将动力学分析提升到更贴近实际机械系统的层面——刚体的运动。关键在于将质点动力学扩展到具有体积和形状的物体。我们从刚体绕定点的转动入手,推导了角动量定理($mathbf{M}_O = frac{dmathbf{H}_O}{dt}$),其中 $mathbf{H}_O$ 是绕固定点 $O$ 的角动量。 讨论的核心是惯性张量 (Inertia Tensor) $mathbf{I}$。我们将详细介绍如何通过坐标变换(特别是主惯性轴的确定)来简化惯性矩阵,并解释其在描述复杂旋转运动中的关键作用。欧拉转动方程,即 $mathbf{M} = mathbf{I}dot{oldsymbol{omega}} + oldsymbol{omega} imes (mathbf{I}oldsymbol{omega})$,是本章的基石,它揭示了在非惯性坐标系下描述刚体转动的复杂性。我们将通过分析陀螺仪的运动、飞轮的稳定性等实例,来熟练应用欧拉方程。 对于刚体运动的一般情况(既有位移又有转动),我们将结合质心定理 ($mathbf{F} = mmathbf{a}_{cm}$) 和刚体转动方程,构建完整的运动微分方程组。本章的难点在于如何处理坐标系之间的关系和由此产生的耦合项,强调了对旋转矩阵和角速度的精确理解。 第五章 能量方法:功、动能与势能 能量方法为动力学分析提供了一种与力和运动微分方程截然不同的、通常更简洁的替代途径。本章集中于功 (Work) 和能量 (Energy) 的概念。我们将定义保守力 (Conservative Forces) 和非保守力 (Non-conservative Forces),并推导出功-能量定理,它是联系力和能量的桥梁。 系统地推导动能 (Kinetic Energy) 的表达式至关重要。对于质点系统,动能 $T = frac{1}{2}mv^2$ 是直接的;而对于刚体,动能分解为质心平动动能和绕质心转动动能 $T = frac{1}{2}m v_{cm}^2 + frac{1}{2}oldsymbol{omega}^T mathbf{I}_{cm} oldsymbol{omega}$,要求读者能熟练计算 $mathbf{I}_{cm}$。 紧接着,我们引入势能 (Potential Energy),重点分析重力势能和弹性势能(弹簧力)。势能的梯度与保守力之间的关系 ($mathbf{F} = - abla U$) 是理解能量守恒的基础。在保守力做功的系统中,机械能守恒定律($T_1 + U_1 = T_2 + U_2$)能够迅速求出运动学参数。 最后,本章介绍了虚功原理 (Principle of Virtual Work)。虽然它起源于静力学,但其思想是拉格朗日力学的基础。通过定义虚位移,我们可以绕过许多复杂的约束力和反作用力,直接建立系统的平衡或运动方程,这为下一阶段的学习提供了强有力的工具。 第六章 振动学基础:单自由度系统 本章开始将动力学原理应用于周期性运动——振动。我们将从最简单的单自由度 (Single Degree of Freedom, SDOF) 系统入手,该系统包含一个质量块、一个弹簧(提供弹性恢复力)和一个阻尼器(提供能量耗散)。 首先分析自由振动,推导出系统的特征方程。对于无阻尼系统,解出固有频率 (Natural Frequency) $omega_n$。随后,引入粘性阻尼 (Viscous Damping),分析阻尼对系统行为的影响,系统分为无阻尼、欠阻尼、临界阻尼和过阻尼四种状态,并详细求解每种情况下的自由响应方程,重点关注欠阻尼情况下的振幅衰减规律。 然后转向受迫振动分析。当系统受到周期性外力激励时,系统将进入稳态响应。我们将推导出稳态解,并深入分析频率响应函数 (Frequency Response Function)。本章的核心概念是振动放大系数 (Magnification Factor) 和共振 (Resonance) 现象,解释为何当激励频率接近固有频率时,系统响应会急剧增大,以及这在机械设计中的危险性。本章的分析将完全基于时间和位移的微分方程求解。

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用户评价

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这本《自动控制原理》是我学习道路上的一盏明灯。它不仅仅是一本教科书,更像是一本能够陪伴我成长的良师益友。从开篇就强调的系统化思维,到对传递函数、阶跃响应、稳态误差等基本概念的清晰界定,再到深入探讨的稳定性理论、根轨迹法、频率响应法,每一个章节都让我受益匪浅。我特别欣赏书中对于PID控制器设计的详细论述,它不仅解释了P、I、D三个环节的作用,还通过大量仿真案例展示了不同参数组合对系统性能的影响,让我能够更好地理解和应用PID控制。而对于现代控制理论的介绍,如状态空间方程、可控性、可观测性以及状态反馈的设计,则为我打开了更广阔的视野,让我认识到自动控制在复杂系统中的巨大潜力。书中大量的习题和详细的解答,更是为我提供了宝贵的练习机会,让我在实践中巩固所学知识。

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第一次翻开这本书,我被它严谨又不失灵活的编排所吸引。序言部分就点明了本书的宗旨:将复杂的自动控制理论以最清晰、最易懂的方式呈现给读者。这一点,在阅读过程中得到了充分的体现。书中对线性系统、非线性系统都有着深入的探讨,从状态空间方程的建立到各种控制策略的应用,都涵盖得相当全面。我印象最深刻的是关于根轨迹法的讲解,作者通过大量的图示和解析,将抽象的根轨迹变化与系统的性能指标紧密联系起来,让我能直观地感受到参数调整对系统性能的影响。而频率响应部分, Bode图和Nyquist图的绘制以及其所代表的意义,也通过细腻的文字描述和丰富的案例,变得不再是冰冷的图形,而是系统内在特性的生动写照。书中对于模型降阶和鲁棒控制的介绍,也为我打开了另一扇窗,让我看到了在实际应用中如何应对模型不确定性和外部干扰。这本书的价值远不止于理论知识的普及,更在于它培养了一种解决实际问题的能力,一种将数学工具应用于工程实践的智慧。

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这是一本充满了智慧与匠心的作品。当我深入阅读这本书时,我惊叹于作者对自动控制理论体系的深刻理解和系统梳理。从开篇的信号与系统基础,到系统的时域分析、频域分析,再到状态空间方法的引入,每一步都衔接得天衣无缝,逻辑清晰。特别是在讲解奈奎斯特稳定性判据时,作者不仅给出了严谨的数学推导,还辅以直观的相角裕度和增益裕度的概念,让我能够从频率域的角度更深入地理解系统的稳定性边界。而对于数字控制系统的分析,书中对于离散化方法、Z变换的应用以及数字控制器设计的研究,也让我看到了自动控制在现代信息时代的重要性。书中提供的各种仿真案例,通过MATLAB等工具的演示,更是让理论与实践相结合,我甚至可以跟着书中的例子自己动手去实现和验证。这本书不仅仅是传授知识,更是一种思维方式的启迪,让我开始用更宏观、更系统的视角去看待各种工程问题。

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从这本书中,我收获的不仅仅是自动控制的理论知识,更是一种严谨的科学态度和解决问题的能力。作者用极其清晰的逻辑和循序渐进的方式,将复杂的概念一一呈现。例如,在讲解稳定性判据时,他不仅列举了多种判据,还深入剖析了它们各自的优缺点和适用范围,让我能够根据具体问题选择最合适的工具。而对于频率响应的分析,Bode图和Nyquist图的绘制与解读,则如同为我提供了洞察系统内在动态特性的“X光片”,让我能够直观地理解系统的稳定性和动态性能。书中对现代控制理论的介绍,如状态空间方法,更是让我看到了如何将自动控制的理论应用于更复杂、更动态的系统,例如利用状态反馈来改善系统的动态性能,或者通过状态观测器来估计系统内部的不可测量状态。这本书的价值在于,它能够让一个初学者真正理解自动控制的精髓,并具备将其应用于实际工程的能力。

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不得不说,这是一本能够让你“爱上”控制的教科书。我曾经对“控制”这个词抱有很大的距离感,觉得它离我的专业似乎很远,但这本书彻底改变了我的看法。它从最基础的概念讲起,比如反馈、前馈,然后逐渐深入到更复杂的理论,如最优控制和自适应控制。书中对于稳定性分析,特别是李雅普诺夫稳定性理论的介绍,虽然初看有些抽象,但通过作者提供的多种方法和清晰的步骤,让我逐步理解了如何分析非线性系统的稳定性。而状态观测器的设计,更是为我揭示了如何通过测量量来估计系统内部状态,这在很多实际应用中是至关重要的。书中穿插的很多历史背景和发展脉络,也让我了解了自动控制理论是如何一步步演变至今的,这种人文关怀式的叙述让学习过程更加有趣。而且,它并没有局限于理论,还提供了大量高质量的习题,并且大多数都有详细的解答,这对于巩固知识、检验学习效果起到了至关重要的作用。

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这是一本让我彻底颠覆了对“控制”认知的书籍,原本以为会是枯燥乏味的数学公式堆砌,结果却打开了一个全新的世界。从开篇的系统辨识,到后续的经典控制理论,再到现代控制理论的引入,作者用一种引人入胜的方式,将抽象的概念具象化。尤其是在解释PID控制器的设计和分析时,那种循序渐进的讲解方式,配合生动形象的比喻,让我这个初学者也能快速掌握核心思想。书中的例子贴近实际,从工业生产中的机器人手臂到日常生活中的空调温度调节,都展现了自动控制无处不在的魅力。我特别喜欢它对传递函数和时域响应分析的深入剖析,这让我对系统的动态行为有了更深刻的理解。此外,书中对于稳定性判据的讲解也十分清晰,无论是Routh判据还是Nyquist判据,都配有详细的推导过程和实例演示,让我能够真正理解这些理论背后的逻辑。甚至在阅读过程中,我开始主动去思考身边那些我曾经习以为常但从未深究的自动化设备,它们是如何在幕后默默工作的。这本书不仅仅是知识的传授,更是一种思维方式的启迪,让我看到了一个充满智能和秩序的世界。

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翻阅此书,我仿佛置身于一个由精确数学模型和巧妙控制策略构成的智慧殿堂。从系统辨识入手,到线性时不变系统的时域和频域分析,再到非线性系统和数字控制的探讨,本书展现了自动控制理论的广阔图景。作者对根轨迹法的阐释尤其深刻,他通过对极点和零点位置变化的分析,巧妙地揭示了系统性能与控制器参数之间的内在联系,让我能够直观地理解如何通过调整参数来优化系统的动态响应。而在频率响应分析部分,Bode图和Nyquist图的解读,如同为系统注入了生命,展现了其在不同频率下的“情绪”变化,使我能够精准地把握系统的稳定裕度和动态特性。书中关于状态空间方法的引入,更是将控制理论推向了一个新的高度,让我看到了如何通过系统内部状态信息来实现更高级的控制策略,如状态反馈和观测器设计。

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这是一本真正能够引领我进入自动控制世界的宝藏。它以一种非常系统和全面的方式,涵盖了自动控制领域的几乎所有重要概念。从最基础的系统模型建立,到传递函数和状态空间表示,再到经典控制理论的核心——PID控制器、根轨迹、频率响应,再到现代控制理论的引入,如状态反馈、能观测性和可控性分析,无一不精。我尤其喜欢书中对稳定性判据的讲解,Routh判据、Nyquist判据、Bode判据,都通过详实的推导和生动的例子,让我对系统稳定性有了深刻的理解。书中对各种控制器设计方法的介绍,也让我看到了如何根据不同的系统特性和控制目标来选择和设计最合适的控制器。这本书的价值在于,它不仅传授了知识,更重要的是培养了一种分析和解决问题的能力,一种用数学工具来理解和改造世界的思维。

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让我惊艳的是这本书对自动控制理论的深入浅出。它不仅仅是一本技术手册,更像是一本能够引导读者思考的指南。从系统的建模,到传递函数和状态空间方程的建立,再到各种控制器的设计和分析,每一个环节都安排得井井有条。我非常欣赏书中对根轨迹法和频率响应法的详细阐述,这些方法不仅是理解系统动态特性的关键,更是设计稳定、高性能控制器的基石。书中还介绍了现代控制理论,如状态反馈和状态观测器的设计,这让我对如何利用系统内部状态信息来改善控制性能有了更深入的认识。而且,这本书的排版和插图都非常精美,大量图表的使用,让抽象的理论概念变得更加直观易懂。我甚至在阅读过程中,就开始尝试着去分析我身边的一些自动化设备,例如家用电器或者工业机械,它们是如何通过自动控制来实现其功能的。

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这本书的质量超出了我的预期,它是一本能够真正激发学习兴趣的书籍。我原本以为会是一本枯燥的理论书籍,但这本书的写作风格非常吸引人,它将复杂的自动控制理论用通俗易懂的语言和生动形象的比喻来解释。从开篇的传递函数和阶跃响应分析,到后面深入探讨的系统辨识和参数估计算法,每一步都循序渐进,让我能够轻松理解。我特别喜欢书中对频率响应分析的讲解,Bode图和Nyquist图的绘制及解读,让我能够直观地感受到系统在不同频率下的行为特性,这对设计高性能的控制器至关重要。此外,书中对于根轨迹法的讲解也十分到位,通过对极点和零点移动对系统响应的影响进行分析,让我能够灵活地调整控制器参数以达到最优性能。这本书不仅提供了扎实的理论基础,还融入了大量的实际工程案例,让我能够将所学知识应用于解决实际问题。

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