控制系统计算机辅助设计 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:清华大学出版社

作者:薛定宇

出品人:

页数:510

译者:

出版时间:2012-12

价格:59.00元

装帧:

isbn号码:9787302301288

丛书系列:

图书标签:

• MATLAB
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• 工程应用

《控制系统计算机辅助设计》是一本旨在深入探讨现代控制系统设计方法论的书籍，它聚焦于如何利用先进的计算机工具和技术来加速、优化和验证控制系统的开发过程。本书并非一本关于理论基础的百科全书，也非一本零散的算法集合，而是以一种集成化的视角，系统地阐述了从系统建模、分析到控制器设计、仿真与实现的整个流程。 核心关注点与内容框架： 本书的核心在于“计算机辅助设计”（CAD）这一概念在控制系统领域的应用。它强调了计算机不仅仅是执行计算的工具，更是能够与工程师协同工作的智能伙伴，通过自动化、可视化和智能化手段，极大地提升了设计效率和系统性能。 全书的结构围绕控制系统设计生命周期展开，大致可分为以下几个关键部分： 1. 系统建模与表示： 多领域建模（Multiphysics Modeling）： 现代控制系统往往涉及复杂的物理过程，如机械、电气、热力、流体等。本书将详细介绍如何运用面向对象的建模语言（如Simulink中的Stateflow、Modelica）来构建高保真度的系统模型，能够捕捉不同物理领域的相互作用。内容会包含状态空间、传递函数、零极点图等经典表示法的计算机实现，以及基于物理特性的建模方法，例如利用物理连接器和组件库来构建模型。 抽象层次与集成： 探讨如何在不同的抽象层次上进行建模，从微分方程到模块化组件，以及如何将这些不同层次的模型集成到一个统一的仿真环境中。这对于处理大型、复杂的分布式控制系统至关重要。 建模工具的介绍与应用： 详细介绍主流的建模与仿真软件（如MATLAB/Simulink、LabVIEW等）在系统表示方面的功能，包括如何构建模型、定义参数、设置约束条件等。 2. 系统分析与性能评估： 时域与频域分析的自动化： 介绍如何利用计算机工具自动化进行瞬态响应分析、稳态误差分析、根轨迹分析、伯德图、奈奎斯特图、尼科尔斯图等经典控制理论的分析，以及如何从中提取关键性能指标，如超调量、调节时间、带宽、相位裕度、增益裕度等。 稳定性分析的计算机辅助方法： 涵盖了Routh-Hurwitz判据、Nyquist判据、Lyapunov稳定性理论在计算机辅助分析中的应用，以及如何利用软件工具进行稳定裕度的计算。 鲁棒性分析： 重点关注在系统参数不确定或外部扰动存在时，控制系统的性能表现。会介绍如何利用蒙特卡洛仿真、参数扫描、不确定性模型等技术来评估和改进系统的鲁棒性。 模型降阶技术： 针对高阶系统，介绍如何通过各种模型降阶算法（如Hankel奇异值分解、平衡截断法）来获得简化但仍能代表原系统主要动态特性的低阶模型，便于后续的控制器设计。 3. 控制器设计与优化： 经典控制器的自动设计： 讨论PID控制器、超前/滞后校正器等经典控制器参数的自动整定方法，例如Ziegler-Nichols法、IMC（内部模型控制）整定法在软件中的实现。 现代控制理论的应用： 详细阐述状态反馈、输出反馈、观测器设计、LQR（线性二次调节器）、H-infinity控制、模型预测控制（MPC）等现代控制策略的计算机辅助设计流程。这部分将深入讲解如何定义性能指标（如二次型性能指标）、设置约束条件，以及利用优化算法（如迭代线性二次调节器，IRAL）来求解最优控制器。 基于模型的设计（MBD）： 强调MBD范式，即控制器逻辑直接从系统模型派生，并自动生成可执行代码。本书会深入探讨MBD流程，包括从仿真模型到代码生成的各个环节。 智能控制与自适应控制的设计： 简要介绍模糊逻辑控制器、神经网络控制器、自适应控制算法在计算机辅助设计工具中的应用，以及如何利用这些工具来构建和调优这些复杂控制器。 多目标优化与权衡： 探讨如何在设计过程中处理多重、甚至冲突的设计目标（如性能、功耗、成本、鲁棒性），并利用计算机辅助优化工具来找到最佳的设计权衡点。 4. 仿真、验证与代码生成： 高精度仿真： 详细介绍如何进行不同类型的仿真，包括离线仿真（批处理）、在线仿真（实时）、混合信号仿真等。会讲解如何选择合适的仿真步长、求解器，以及如何处理仿真中的数值问题。 系统验证与测试： 阐述如何利用仿真环境来模拟各种工况和故障场景，对控制器进行全面的测试和验证。包括极限工况测试、异常输入测试、故障注入测试等，以确保控制器在实际运行中的可靠性。 代码生成与嵌入式实现： 这是本书一个非常重要的实践部分。会详细讲解如何将设计的控制器模型自动转化为C/C++、HDL（硬件描述语言）等嵌入式代码，并介绍代码生成工具（如MATLAB Coder, Embedded Coder）的使用方法、代码优化技巧以及如何将生成代码部署到目标硬件平台。 硬件在环（HIL）仿真： 介绍HIL仿真技术，即在真实硬件连接到仿真环境，用于在部署前对整个闭环系统进行更加贴近实际的测试。 本书的特色与价值： 理论与实践的桥梁： 本书将抽象的控制理论与具体的工程实践紧密结合，通过大量案例和软件应用示例，帮助读者理解理论知识如何在实际设计中落地。 工具链的集成视角： 它不仅仅是介绍某一个工具的功能，而是强调不同工具之间的协同工作，以及如何构建一套完整的、高效的计算机辅助设计工具链。 面向现代控制工程需求： 随着控制系统复杂性的增加和对智能化、实时性要求的提高，本书所涵盖的内容，如模型预测控制、嵌入式代码生成、鲁棒性设计等，是现代控制工程师必备的技能。 提升工程师能力： 通过学习本书，读者能够掌握利用先进的计算机辅助设计方法来解决实际控制工程问题，显著提高设计效率、系统性能和可靠性。 总而言之，《控制系统计算机辅助设计》是一本面向具有一定控制理论基础的工程师和研究生的实用指南，它系统地展现了如何利用现代计算机技术，将理论转化为可执行、可验证、高性能的控制系统解决方案，是推进控制系统设计迈向智能化、自动化时代的重要参考。

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从应用层面上看，这本书的特色在于其对仿真工具的集成和引导。书中多次穿插了如何使用特定软件平台来验证理论模型的段落，虽然没有直接给出完整的代码，但其描述的建模思路和关键参数的设置方法，为读者打开了一扇通往实际工程应用的大门。例如，在讨论李雅普诺夫稳定性时，它建议读者构建一个具体的非线性模型并进行数值模拟，观察能量函数的下降趋势，这种“理论指导实践，实践反哺理论”的良性循环，极大地增强了学习的动机。对于我们这些需要将理论快速转化为实际控制策略的工程师而言，这种软性的应用引导比单纯的死记硬背公式要有效得多，它真正实现了理论与工程实践的有效桥接。

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坦率地说，这本书的深度是相当可观的，绝非那种只停留在表面概念的“科普读物”。当涉及到最优控制和估计理论时，其数学推导的严谨性达到了专业教材的水准。卡尔曼滤波的推导过程，作者没有采取教科书上常见的简化假设，而是完整地展示了基于最小均方误差原则的推导链条，这对于想从事信号处理或导航控制方向的读者来说，简直是一份宝藏。我花费了比预期更多的时间来消化这部分内容，但每一次回看，都能发现新的理解层次。当然，这也意味着对于完全没有数学功底的读者来说，可能需要额外的数学预习，但对于有志于成为专业工程师的人来说，这种挑战是必要的，它确保了理论的纯粹性和应用的可靠性。

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这本书的排版和插图质量，我必须单独提出来夸赞一番。在讨论非线性系统的相平面分析时，那些绘制精美的相轨迹图，不仅直观地展示了系统的稳定性和极限环的存在性，还清晰地标明了平衡点和相流线的方向。相比起我之前读过的几本英文原著，这本书的中文翻译质量高得惊人，术语使用准确且统一，完全没有那种生硬的“翻译腔”。特别是那些用于说明李雅普诺夫稳定性判据的几何解释，配图的清晰度足以让人在不参考任何外部资料的情况下，理解抽象的能量函数的意义。这种对细节的极致追求，让阅读过程变得非常舒适，也极大地减少了因图示不清而产生的困惑，体现了出版方的专业水准。

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我最欣赏的还是作者在处理经典控制理论与现代控制理论衔接过渡时的精妙手法。很多教材在讲到频域分析法和时域分析法时，会显得有些割裂，但在这本书里，作者巧妙地通过鲁斯判据和奈奎斯特图的几何解释，将两者有机地统一起来。更让我惊喜的是，书中引入了先进的鲁棒控制思想的初步概念，虽然篇幅不长，但足以激发读者对更前沿研究领域的兴趣。阅读到校正器的设计章节时，我发现作者并没有停留在传统的PID参数整定上，而是深入探讨了超前滞后校正器对系统根轨迹的影响，并且辅以大量的实例分析，让人感觉像是跟着一位经验丰富的老工程师在实际项目现场学习，而不是枯燥地坐在教室里听课。这种实践导向的教学方式，极大地提升了我的工程直觉。

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这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，封面那种深沉的墨绿色调配上烫金的字体，一下子就抓住了我的目光。初次翻阅，我原以为这会是一本晦涩难懂的理论大部头，但实际阅读体验却出奇地流畅。作者在行文布局上显然下了不少功夫，从最基础的系统建模概念开始，层层递进，毫不拖泥带水地引入了现代控制理论的核心思想。特别是关于状态空间描述的部分，那些复杂的矩阵运算被拆解得异常清晰，配图的质量极高，很多经典系统的仿真结果图都标注得非常详尽。对于我这种初学者来说，它提供了一个非常扎实且平易近人的起点，让我得以迅速建立起对整个控制工程学科的宏观认知框架，为后续深入学习打下了坚实的基础。它不像有些教材那样只罗列公式，而是注重于概念背后的物理意义，这一点非常值得称赞。

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毕竟国内写的最好了，再好就只能是Matlab help文档了

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前面基础部分讲了很多常识 后面算法部分有点看不懂，涉及到高级算法 可以，当做工具书，在需要的时候来查询

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前面基础部分讲了很多常识 后面算法部分有点看不懂，涉及到高级算法 可以，当做工具书，在需要的时候来查询

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毕竟国内写的最好了，再好就只能是Matlab help文档了