控制系统设计指南

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出版者:电子工业
作者:[美]GeorgeEllies
出品人:
页数:345
译者:
出版时间:2006-09-01
价格:39.0
装帧:平装
isbn号码:9787121021138
丛书系列:
图书标签:
  • 控制
  • 自动化
  • 控制科学与技术
  • Expertise
  • 6-控制学
  • 控制系统
  • 设计
  • 指南
  • 工程
  • 应用
  • 自动化
  • 反馈
  • 稳定性
  • 建模
  • 控制理论
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具体描述

《现代控制理论及其工程应用》 本书旨在为广大工程师、研究人员和高年级本科生提供一套全面而深入的现代控制理论知识体系。本书的重点在于如何将抽象的控制理论转化为实际的工程解决方案,帮助读者理解复杂动态系统的建模、分析和控制器设计。 第一部分:系统建模与表示 本部分将从基础出发,详细介绍构建准确系统模型的方法。我们将深入探讨: 连续时间系统建模: 微分方程表示: 从物理定律和工程经验出发,推导系统状态方程、输出方程,理解系统动态行为的数学语言。 传递函数表示: 运用拉普拉斯变换,将微分方程转化为时域与复频域的桥梁,便于进行频率响应分析和经典控制器的设计。我们将详细讲解如何从系统框图、实验数据或微分方程中提取传递函数。 状态空间表示: 引入现代控制的核心概念——状态变量,建立更通用的系统描述方式,能够处理多输入多输出(MIMO)系统,并为先进控制算法奠定基础。我们将详细介绍各种状态空间模型的建立方法,以及不同表示形式之间的转换。 离散时间系统建模: 差分方程表示: 介绍数字控制系统中常用的差分方程描述,以及Z变换在离散系统分析中的应用。 离散时间传递函数: 讲解离散时间系统的传递函数表示及其与连续时间传递函数的对应关系。 离散状态空间表示: 详细阐述离散状态空间模型,以及如何从连续系统离散化获得。 第二部分:系统分析与稳定性 在建立了系统的数学模型之后,本部分将专注于分析系统的特性,特别是稳定性。 时域响应分析: 瞬态响应: 深入分析系统对标准输入信号(如单位阶跃、单位斜坡、单位冲量)的响应,学习如何评价系统的快速性、超调量、峰值时间和稳态误差等关键性能指标。 稳态响应: 研究系统在长时间运行后的行为,理解稳态误差的产生原因和影响因素。 频域响应分析: 伯德图、奈奎斯特图、尼科尔斯图: 掌握这些强大的图形分析工具,从频率特性上深入理解系统的动态行为,包括系统的增益裕度和相位裕度,以及它们与稳定性的关系。 频率响应与时域响应的联系: 阐明频域特性如何映射到时域的响应特性。 系统稳定性: Routh-Hurwitz稳定性判据: 学习一种代数方法,无需求解特征方程即可判断线性时不变(LTI)系统的稳定性。 根轨迹法: 掌握根轨迹的概念及其绘制方法,通过观察极点在增益参数变化时的轨迹,来分析系统的稳定性与性能随参数变化的趋势。 Nyquist稳定性判据: 学习一种基于频率响应的稳定性判据,能够处理包含时滞的系统。 稳定性裕度: 深入理解增益裕度和相位裕度对于系统稳定性和鲁棒性的意义。 第三部分:控制器设计 本部分是本书的核心,将介绍多种经典的控制器设计方法,并侧重于如何根据系统性能要求选择和调整控制器参数。 经典PID控制器设计: 比例(P)、积分(I)、微分(D)作用的原理: 详细解析每种控制作用对系统响应的影响,以及它们如何协同工作。 PID控制器参数整定方法: 介绍多种实用的整定方法,包括试凑法、Ziegler-Nichols方法、增量式PID整定等,并结合实例进行说明。 PID控制器的改进与应用: 探讨PID控制器的局限性,并介绍一些改进方法,如PI-D、模糊PID等,以及PID在实际工程中的广泛应用。 超前、滞后和超前-滞后校正: 校正网络的传递函数与电路实现: 介绍这三种基本校正网络的数学模型和电路实现方式。 基于频域的方法设计校正器: 运用伯德图和奈奎斯特图,通过改变系统的频率响应来改善系统的稳定性、幅值和相位裕度。 根轨迹法设计校正器: 结合根轨迹,分析校正器对系统极点位置的影响,以及如何通过校正来满足性能指标。 线性二次调节器(LQR)设计: 二次型性能指标的定义: 介绍LQR性能指标的数学形式,它如何平衡状态的能量和控制的能量。 Riccati方程求解与状态反馈增益计算: 详细阐述如何求解代数Riccati方程,并获得最优的状态反馈增益矩阵。 LQR设计的优势与应用: 探讨LQR在实现最优控制、系统鲁棒性方面的优势。 观测器设计: 状态观测器的必要性: 解释为什么在许多情况下无法直接测量所有系统状态。 Luenberger观测器设计: 介绍线性观测器的基本原理,如何设计观测器增益以使观测状态快速收敛到真实状态。 最小阶观测器: 介绍如何设计最小阶观测器以降低计算复杂度。 观测器与状态反馈的结合(分离原理): 阐述如何将观测器与状态反馈控制器结合,形成完整的闭环控制系统。 第四部分:先进控制概念与现代技术 本部分将初步介绍一些更现代、更强大的控制理论和技术,为读者进一步学习打下基础。 鲁棒控制基础: 探讨如何设计控制器,使其对模型不确定性和外部扰动具有较好的鲁棒性。 模型预测控制(MPC)概述: 介绍MPC的核心思想,即利用未来系统的预测信息来优化当前控制输入,以及其在复杂系统中的应用潜力。 数字控制系统实现: 讨论将设计好的控制器在微处理器或DSP等数字平台上实现的注意事项,包括采样时间的选择、量化误差等。 本书特色: 理论与实践并重: 每一章都紧密结合工程应用,通过丰富的实例和仿真结果来验证理论的有效性。 循序渐进的教学方法: 从基础概念到高级技术,结构清晰,语言通俗易懂,适合不同背景的读者。 丰富的图表和公式: 配备大量伯德图、根轨迹图、时域响应曲线等,帮助读者直观理解抽象概念。 注重算法理解: 深入解析各种控制算法的原理和实现步骤,而非仅仅罗列公式。 本书将帮助读者建立坚实的控制系统设计基础,掌握从系统建模到控制器实现的完整流程,从而能够独立地解决实际工程中的控制问题。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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在我阅读这本书之前,我对“控制系统调优”的概念,停留在比较表面的理解。然而,这本书却以一种极其系统且深入的方式,剖析了控制系统调优的方方面面。作者从系统的模型特性出发,详细介绍了各种参数的敏感性分析,以及如何根据这些分析结果来对控制器进行优化。我尤其欣赏书中关于“PID控制器参数整定”的章节。它不仅仅介绍了Ziegler-Nichols方法、IMC(内部模型控制)整定法等经典方法,更重要的是,它深入分析了各种方法的优缺点以及适用场景,并且鼓励读者根据实际应用的需求,去选择最合适的方法,甚至提出自己的优化方案。这让我对PID控制器的理解,从一个简单的“黑盒子”提升到了一个更加精细化的层面。此外,书中关于“鲁棒控制”的讲解也让我耳目一新。它不仅仅是介绍了H-infinity控制和μ-分析等方法,更重要的是,它深入阐述了这些方法在提高系统鲁棒性方面的原理和优势。这对于我处理那些在复杂环境下工作的控制系统,例如航空航天、机器人等领域的应用,提供了极其宝贵的视角。这本书让我认识到,控制系统的调优,是一个需要理论知识、实践经验和创新思维相结合的复杂过程,而这本书,正是提供了这样一套系统性的方法论。

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坦白说,在我接触这本书之前,我对“数字控制”的理解仅限于基本的采样和离散化。然而,这本书彻底颠覆了我的认知。作者在讲解数字控制算法时,展现了一种令人惊叹的深度和广度。他不仅详细介绍了Z变换、离散时间系统分析等基础知识,更重要的是,他将这些理论与实际的微处理器实现紧密结合。书中关于如何将连续时间控制器转化为离散时间控制器,以及如何处理量化误差、采样周期选择等实际工程问题,都给出了非常详细的指导。我尤其欣赏书中关于“状态观测器”的设计部分。作者通过多个不同复杂度的例子,清晰地展示了如何设计和实现状态观测器,以估计系统中不可测量的状态量。这对于我理解那些无法直接测量所有状态变量的系统,例如车辆动力学控制、电机伺服控制等,提供了关键的思路。书中还引入了关于“先进控制策略”的介绍,例如模型预测控制(MPC)和自适应控制等。尽管这些内容相对复杂,但作者的讲解依然清晰易懂,并且通过实例说明了它们在解决复杂非线性系统和时变系统问题上的强大能力。读完这部分,我感觉自己打开了一扇通往更广阔控制领域的大门,对未来的学习和研究方向有了更清晰的规划。

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这本书我真的觊觎已久,每次在技术论坛或者研讨会上,总有人会时不时地提到“控制系统设计指南”这本书,言谈中那种自信和清晰的思路,让我对它充满了好奇。终于,在一次偶然的机会下,我入手了这本传说中的著作。拿到手的时候,说实话,这本书的厚度和密度就让我有点小小的震撼,封面设计简约而不失专业,一股严谨的气息扑面而来。翻开第一页,我被其中对控制系统基础概念的梳理方式所吸引。它不仅仅是简单地罗列定义,而是通过深入浅出的语言,将那些看似抽象的理论,比如稳定性、鲁棒性、最优性等等,与实际的工程应用紧密联系起来。作者似乎非常理解读者在学习过程中可能遇到的困惑,因此在讲解每一个概念时,都会辅以大量的图示和简洁明了的数学推导,而且这些推导过程并不是孤立的,而是层层递进,最终引向一个清晰的结论。尤其让我印象深刻的是,书中对于不同类型控制器的分析,从PID控制器到状态空间法,再到更高级的现代控制理论,作者都给出了非常系统化的介绍,并且在每一种控制器介绍完毕后,都会探讨其优缺点以及适用的场景,这种对比分析极大地拓宽了我的视野,让我能够更清晰地认识到不同控制策略之间的差异和选择的依据。即使我并非控制领域的最前沿专家,也能从中感受到作者在梳理知识体系上的功力,仿佛他将一个庞杂的知识网络,用最精炼的语言和最恰当的逻辑,呈现在我的面前,让我得以在一个清晰的框架下进行学习和思考,而不是迷失在浩瀚的理论海洋中。

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这本书的魅力还在于它对“控制系统仿真与实现”的细致讲解。理论知识固然重要,但如何将设计出的控制器有效地在实际系统中运行,并且进行有效的仿真验证,同样至关重要。作者在书中详细介绍了各种仿真工具和方法,例如MATLAB/Simulink,并提供了大量的仿真示例。他不仅展示了如何构建仿真模型,如何进行参数的辨识和整定,更重要的是,他强调了仿真结果与实际系统之间的差异,以及如何通过精细化的仿真来弥补这些差异。我特别喜欢书中关于“故障诊断与容错控制”的章节。在这个部分,作者详细介绍了如何利用系统模型和观测器来检测和隔离系统中的故障,并且如何设计容错控制器来维持系统的正常运行。他通过对各种典型故障模式的分析,以及相应的容错控制策略,为我提供了一个非常实用的框架。这对于我处理那些关键性要求较高的控制系统,例如飞机飞行控制、核电站安全控制等,提供了极其重要的指导。这本书让我明白,真正的控制系统设计,不仅仅是理论的堆砌,更是对实际工程挑战的深刻理解和有效应对。

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这本书最让我感到“眼前一亮”的地方,在于它对“现代控制理论”的讲解方式。以往,我对现代控制理论的印象是抽象、复杂且难以理解。然而,这本书通过一种极其清晰且循序渐进的方式,将诸如状态空间法、能控性与能观性、极点配置、最优控制等概念,一一呈现在我的面前。作者并没有回避其中的数学推导,但他的推导过程都非常严谨且逻辑性强,并且总是会辅以直观的解释,帮助读者理解其背后的物理意义。我尤其欣赏书中关于“最优控制”的部分。作者详细介绍了LQR(线性二次调节器)的设计原理和应用,以及如何通过调整权重矩阵来影响控制器的性能。他通过多个实例,展示了LQR在追求最优性能方面的强大能力,并且还提及了动态规划等更高级的最优控制方法,为我打开了新的学习方向。此外,书中关于“李雅普诺夫稳定性”的讲解也让我受益匪浅。它不仅仅介绍了李雅普诺夫第二方法,更重要的是,它阐述了如何利用李雅普诺夫函数来证明一个非线性系统的稳定性。这对于我分析和设计各种复杂的非线性控制器,提供了强有力的理论工具。这本书让我觉得,现代控制理论并非遥不可及,而是可以通过系统性的学习和深入的理解,成为解决工程问题的有力武器。

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我一直认为,一本好的技术书籍,不仅要传授知识,更要激发读者的思考和创造力。而这本《控制系统设计指南》恰恰做到了这一点。作者在书中并没有给出“标准答案”,而是鼓励读者去探索、去尝试、去发现。在讲解各种控制策略时,他总是会留下一些思考题或者开放性的问题,引导读者去深入挖掘。例如,在讨论PID控制器参数整定方法时,他介绍了多种经典方法,但同时也鼓励读者去思考,在不同的应用场景下,哪种方法更有效,以及是否有更优的组合方式。这种“授人以渔”的教育理念,让我受益匪浅。我最欣赏的是书中关于“系统辨识与模型选择”的章节。作者详细介绍了多种辨识算法,并且深入分析了它们在不同场景下的适用性。他并没有简单地罗列算法的优劣,而是通过大量的对比实验和案例分析,让读者直观地感受到不同算法的特点。这让我能够根据实际需求,做出更明智的模型选择。读这本书,我感觉自己不仅仅是在学习知识,更是在培养一种解决问题的能力和一种科学的思维方式。它教会我如何去分析一个系统,如何去选择合适的工具,如何去验证我的设计,以及如何在面对问题时保持冷静和创造力。

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这本书的内容组织和逻辑清晰度,是我认为其最突出的优点之一。作者在构建整个知识体系时,显然投入了巨大的心血。他并没有采用一种“堆砌”式的方法来罗列知识点,而是通过一种“引导式”的教学模式,逐步引导读者深入理解控制系统设计的各个环节。从系统的建模和分析,到控制器的设计与优化,再到实际的实现与调试,每一个部分都紧密衔接,层层递进。我尤其喜欢书中对“非线性控制”的介绍。对于许多初学者来说,非线性系统往往是学习过程中的一个难点,因为传统的线性控制理论在这里往往难以直接应用。然而,这本书却以一种非常系统化的方式,介绍了李雅普诺夫稳定性、反馈线性化、滑模控制等关键技术,并且通过生动形象的例子,阐释了这些技术在解决实际非线性问题中的强大威力。读到这些内容时,我感觉自己仿佛拥有了一套强大的工具箱,能够应对各种复杂多变的系统。此外,书中还专门辟出一章讨论了“控制器性能评价”,这在很多同类书籍中是比较少见的。作者详细介绍了各种性能指标,如超调量、调节时间、稳态误差等,并探讨了如何根据不同的应用需求来选择和权衡这些指标。这种对“好”的控制系统的定义和衡量方式的深入剖析,让我对“设计”的真正含义有了更深刻的理解。

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这本书的价值,远不止于对理论知识的讲解,更在于它所传递出的那种解决实际问题的思维方式。作者在书中反复强调,控制系统的设计并非一蹴而就,而是一个不断迭代、优化和验证的过程。他通过一系列精心设计的案例研究,将理论知识转化为可操作的工程实践。我特别喜欢的是书中关于系统建模的部分,它并没有止步于介绍几种常见的建模方法,而是深入剖析了不同模型选择对后续控制器设计带来的影响,以及如何根据实际需求来权衡模型的精度和复杂度。书中对于辨识方法的阐述也十分详尽,从经典的最小二乘法到更现代的卡尔曼滤波辨识,作者都提供了清晰的步骤和相应的代码示例,这对于我这种需要将理论应用于实际项目的人来说,简直是雪中送炭。更让我感到惊喜的是,书中还探讨了许多在实际工程中经常会遇到的“坑”,例如参数选择的敏感性、噪声的影响、执行器的非线性等等,并且提出了有效的应对策略。读完这些内容,我感觉自己不再是那个只会照搬公式的“理论派”,而是真正开始理解了如何“设计”一个控制系统,如何去“解决”它可能遇到的问题。书中的每一个例子,都仿佛是一个真实的工程场景,作者带领我一步步地去分析、去判断、去选择,最终得到一个可靠的解决方案。这种“手把手”的教学模式,让我不仅学到了知识,更学到了解决问题的能力和工程思维。

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在阅读这本书的过程中,我有一个非常强烈的感受:作者对“工程落地”的关注度极高。他不仅仅停留在理论层面,而是将大量篇幅用于探讨控制系统在实际工程中会遇到的挑战和解决方案。我特别喜欢书中关于“抗干扰与容错控制”的章节。在这个部分,作者详细介绍了如何设计能够抵抗外部扰动和系统内部故障的控制器,以及如何实现系统的容错。他通过对各种典型故障模式的分析,以及相应的容错控制策略,例如基于观测器的故障检测与隔离(FDI)技术,以及主动容错控制(AFC)等,为我提供了一个非常实用的框架。这对于我处理那些关键性要求较高的控制系统,例如飞机飞行控制、核电站安全控制等,提供了极其重要的指导。此外,书中关于“多输入多输出(MIMO)系统控制”的讲解也让我大开眼界。与单输入单输出(SISO)系统相比,MIMO系统具有耦合性强、难以解耦等特点。作者通过详细的理论推导和实例分析,介绍了多种MIMO系统控制方法,例如解耦控制、状态空间解耦、模型预测控制等,让我对这类复杂系统的控制有了更深刻的理解。这本书让我明白,真正的控制系统设计,不仅仅是理论的堆砌,更是对实际工程挑战的深刻理解和有效应对。

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当我翻开这本书的时候,我抱着一种既期待又有些许忐忑的心情,毕竟“控制系统设计”这个话题本身就充满了挑战性。然而,这本书的开篇就以一种极其友好的姿态迎接了我。它没有上来就抛出一堆晦涩难懂的数学公式,而是从一个宏观的视角,勾勒出了控制系统在现代工程中扮演的关键角色,以及进行系统设计所需要具备的基本要素。作者的语言风格非常独特,既有学术的严谨,又不乏一种亲切的叙述感,读起来就像是在与一位经验丰富的导师进行交流。书中对“鲁棒性”的探讨,让我对这个概念有了全新的认识。以往,我可能只是理解为“不怕干扰”,但这本书却从数学模型的不确定性、参数变化、外部扰动等多个维度,系统地阐述了鲁棒性设计的意义和方法,并且给出了具体的判据和设计技巧。这对于我理解那些在复杂环境下工作的控制系统,例如航空航天、机器人等领域的应用,提供了极其宝贵的视角。此外,书中关于“稳定性分析”的内容也让我受益匪浅。它不仅仅是介绍了Routh-Hurwitz判据和Nyquist判据,更重要的是,它阐述了这些判据背后的物理意义,以及它们如何指导我们对系统进行调整和优化,确保系统在各种工况下都能保持稳定可靠的运行。这种对理论深层含义的挖掘,是许多其他书籍所难以比拟的。

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很不错。

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理论与实践结合的很好~

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理论与实践结合的很好~

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