自动控制原理与应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:电子工业

作者:刘湘涛

出品人:

页数:291

译者:

出版时间:2007-8

价格:27.00元

装帧:

isbn号码:9787121045691

丛书系列:

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《系统工程：复杂系统建模与优化》 图书简介 本书深入探讨了现代复杂系统的建模、分析与优化方法，是系统工程领域一本内容翔实、理论与实践并重的专著。它旨在为工程技术人员、科研工作者以及高年级本科生和研究生提供一套系统化的工具箱，以应对当前工程领域中日益复杂的系统挑战。 第一部分：复杂系统基础理论与建模方法 本书首先奠定了复杂系统工程的理论基础。 第一章：复杂系统的内涵与特征 本章详细界定了复杂系统的概念，区分了简单系统、一般系统与复杂系统。重点分析了复杂系统的关键特征，包括涌现性（Emergence）、非线性（Nonlinearity）、自组织性（Self-organization）、鲁棒性（Robustness）与脆弱性（Fragility）。通过大量真实世界的案例，如生态系统、城市交通网络和大型制造企业，阐释了这些特征在实际工程中的体现。此外，本章还引入了系统思维（Systems Thinking）的基本原则，强调从整体而非局部角度审视问题的重要性。 第二章：系统描述与抽象建模 系统建模是复杂系统分析的起点。本章系统介绍了多种描述工具。首先是传统的框图和信号流图的局限性，继而深入探讨了状态空间表示法在多输入多输出（MIMO）系统描述中的优势。对于非线性、时变系统，我们详细阐述了基于微分方程和差分方程的数学模型构建。在抽象层面，本书引入了混合系统（Hybrid Systems）的概念，用于描述包含连续动态和离散事件的系统，例如工业自动化流程。重点讲解了如何根据分析目的选择合适的抽象层次，避免模型过于精细导致计算爆炸或过于粗略失去关键信息。 第三章：网络化系统与图论基础 现代工程系统往往以网络结构存在。本章从图论的视角出发，构建系统的拓扑结构模型。内容涵盖图的表示、连通性分析、中心性度量（如度中心性、介数中心性）以及模块化结构识别。在应用层面，本书将这些理论应用于社交网络分析、电力网的稳定性评估以及分布式传感器网络的通信拓扑设计。特别地，探讨了网络结构对系统鲁棒性和信息传播效率的影响。 第二章：随机性与不确定性建模 现实世界的系统充满了不确定性。本章专注于如何用数学工具量化和处理这些不确定性。首先回顾了概率论与数理统计的基础，随后深入探讨了随机过程在系统建模中的应用，特别是马尔可夫链（Markov Chains）和泊松过程。对于参数估计问题，详细介绍了贝叶斯方法，并比较了其与经典频率派方法的异同。在处理高维不确定性时，引入了不确定性传播的Monte Carlo模拟技术，并讨论了在有限样本下如何保证结果的统计可靠性。 第二部分：系统分析与性能评估 本部分侧重于如何利用建立的模型对系统进行深入的性能分析和诊断。 第五章：线性时不变（LTI）系统的经典分析 尽管复杂系统多为非线性，但LTI系统分析仍是理解系统基本动态行为的基石。本章复习并深化了拉普拉斯变换和Z变换在系统分析中的应用。重点在于时域指标（如上升时间、超调量、稳态误差）和频域指标（如带宽、伯德图、奈奎斯特图）的计算与解读。对系统的稳定裕度（增益裕度和相位裕度）进行了详尽的推导和工程实例分析，强调这些裕度如何直接关系到系统在实际环境中的可靠运行。 第六章：非线性系统的定性分析 非线性是复杂性的主要来源。本章避开复杂的解析解，转而采用定性分析方法。引入了相平面分析法，用于直观展示二阶系统的动态轨迹，并识别极限环、鞍点和焦点等奇异点。更进一步，本章介绍了李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性理论，这是判断高维非线性系统稳定性的核心工具，提供了无须求解微分方程即可判断稳定性的强大方法。对保守性（Conservatism）和局部分析（Local Analysis）的局限性进行了讨论。 第七章：性能指标与量化评估 系统的“好坏”需要量化。本章构建了一个多目标性能评估框架。对于时间响应，除了传统指标外，引入了均方误差（MSE）和$mathcal{H}_2$范数来衡量性能。对于频率特性，重点阐述了$mathcal{H}_infty$控制理论中如何利用$mathcal{H}_infty$范数来约束系统对外部扰动的敏感度，这在抗干扰设计中至关重要。此外，系统可靠性分析（如平均无故障时间MTTF）也被纳入考量，建立了动态性能与静态可靠性之间的联系。 第三部分：系统优化与控制设计 本部分聚焦于如何根据分析结果设计出满足性能要求的控制律或优化策略。 第八章：经典反馈控制器的设计与调优 本书回顾了PID控制器的设计流程，但重点在于其现代化的调优方法。除了Ziegler-Nichols等经验方法，详细介绍了基于根轨迹分析的补偿器设计（超前/滞后校正）和频率响应法（如Nichols图法）进行多裕度优化。特别强调了PID参数在面对系统模型不确定性时如何进行鲁棒性调整，并讨论了先进的自整定（Autotuning）技术。 第九章：最优控制理论基础 最优控制是系统性能优化的核心。本章系统介绍了基于变分法的经典最优控制问题。重点推导并应用了哈密顿-雅可比-贝尔曼（HJB）方程，这是求解非线性最优控制问题的基础。随后，深入讲解了LQR（Linear Quadratic Regulator）控制器，详细说明了如何通过权衡状态误差和控制努力来确定最优的反馈矩阵$K$。 第十章：模型预测控制（MPC） MPC是处理约束优化和多变量系统的主流技术。本章详细介绍了MPC的工作原理，包括滚动时域优化、模型预测和控制律的实施。重点分析了MPC在处理输入/输出约束（如执行器饱和、安全边界）方面的天然优势。书中通过一个大型化工过程控制案例，演示了如何构建精确的系统模型、定义成本函数以及高效地求解实时二次规划（QP）问题。 第十一章：鲁棒性设计与不确定系统处理 在复杂且模型不完全精确的环境中，鲁棒性是成功的关键。本章专门探讨了如何设计对参数变化和外部扰动不敏感的控制器。除了前述的$mathcal{H}_infty$方法，本书还引入了描述变量法（D-K迭代）来系统地处理$mu$分析问题。此外，对于存在大量结构化不确定性的系统，介绍了基于多面体模型的不确定性分析与控制设计方法。 附录 附录包含必要的数学工具回顾，如拉普拉斯和Z变换对，以及线性代数中特征值分解和奇异值分解（SVD）在系统分析中的应用指南。 本书的特色在于其强大的理论深度与广泛的工程适用性相结合，提供了从系统识别到复杂优化控制的一体化解决方案，是系统工程领域不可或缺的参考资料。

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我费了好大力气才把这本书啃下来，说实话，这本书的理论深度确实不是盖的。它里面关于鲁棒控制和最优控制的章节，简直是为高阶研究人员量身定做的。我记得有一次为了理解某个自适应控制算法的收敛性证明，我足足花了两个晚上，对照着书里的推导过程，手写了不下五页的草稿才算勉强弄懂。书中的例子大多来源于实际工程案例，但作者并没有仅仅停留在应用层面，而是深入挖掘了背后的数学原理。举个例子，在讨论到状态空间模型时，它对可观测性和可控性的讲解，结合了线性代数中矩阵秩的概念，解释得非常透彻，而不是简单地给出一个结论。这种深入骨髓的解析方式，让这本书的含金量一下子就上去了。如果你只是想快速学会搭个PID控制器，这本书可能会让你感到“杀鸡用牛刀”了，但如果你想知道PID控制器背后的稳定性边界是如何推导出来的，那么这本书就是你的不二之选。读完之后，感觉自己的理论基础被彻底夯实了，看其他相关文献都能轻松很多。

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对于我这种工程背景出身的人来说，最看重的就是实用性，而这本书在这方面也交出了一份令人满意的答卷。它没有陷入纯粹的数学理论的泥潭而无法自拔，而是非常巧妙地将理论与实际的工程问题紧密结合起来。书里专门开辟了一个章节来讨论数字控制系统的实现问题，这在很多纯理论教材中是很少见的。比如，它详细分析了采样时间对系统性能的影响，以及量化误差在实际PLC或微控制器中可能带来的问题。我特别欣赏作者在描述这些实际应用时那种“过来人”的语气，仿佛旁边有一位经验丰富的老工程师在手把手地教你。比如在介绍如何设计一个能够抵抗传感器噪声的控制器时，书中给出的滤波和控制策略结合的方案，我已经在我们最新的一个项目原型上成功应用了，效果立竿见影。这本书与其说是一本教科书，不如说是一本包含了丰富实践智慧的工程手册。

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这本书的讲解风格非常具有个人特色，甚至可以说有些“桀骜不驯”。它不太像传统教材那样循规蹈矩地铺陈知识点，有时候你会发现，作者似乎在下一盘很大的棋，前面铺垫的看似不相关的概念，在后面的章节中会以一种令人惊叹的方式汇聚起来，形成一个完整的知识体系。这种“大开大合”的叙事方式，一开始可能会让习惯了线性学习的读者感到有些吃力，需要经常回顾前面的内容。但一旦你适应了这种节奏，就会发现作者的高明之处——他是在训练读者进行系统性的、跨领域的思考。这种思维训练远比记住几个公式重要得多。我记得在讲到非线性系统的分析时，作者引入了李雅普诺夫稳定性理论，但他的切入点非常独特，先从物理系统中的能量守恒角度去启发读者理解，而不是直接抛出复杂的微分方程，这种引导式的教学方法，极大地降低了理解难度的门槛，让人拍案叫绝。

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这本书的封面设计得非常引人注目，那种深邃的蓝色调，配上一些简洁而有力的几何图形，让人一眼就能感受到它蕴含的科技感和严谨性。我是在一个偶然的机会在书店里翻到它的，当时只是被这个名字吸引住了，觉得“自动控制原理与应用”听起来就非常硬核，可能适合我的工作或者更深入的学习。内页的排版也相当考究，字体大小适中，行距合理，阅读起来感觉非常舒服，即便是面对那些复杂的公式和图表，也不会感到太过压迫。作者在结构上的组织能力也值得称赞，从最基础的系统建模讲起，逐步深入到更高级的现代控制理论，逻辑衔接得非常自然。尤其是前几章对经典控制理论的梳理，脉络清晰，即便是对这方面有初步了解的人也能很快跟上节奏。不得不说，这本书的纸张质量也很好，拿在手里很有分量感，说明装帧制作上是下了功夫的。这绝对是一本值得收藏和反复研读的工具书，光是摆在书架上，都觉得能提升整个书房的“知识密度”。

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这本书的配套资源和学习辅助设计也做得相当到位，这对于自学者来说简直是雪中送炭。我听说它有一个专门的在线学习平台，提供了大量的仿真案例代码，这些代码都是用主流的仿真软件编写的，可以直接导入运行和修改。这极大地弥补了纸质书在动态演示方面的不足。而且，书后的习题设计也是下了大功夫的，它不是那种简单的计算题，很多都是开放性的设计挑战，需要读者综合运用不同章节的知识来解决一个复杂问题。我印象深刻的是其中一道关于多变量系统解耦的习题，要求设计一个前馈加反馈的控制器来消除交叉耦合，这简直就是对我过去几年所学知识的一次全面检验。通过自己动手调试这些仿真模型和完成这些挑战性的习题，我对“控制”二字的理解，从书本上的符号，真正转化为了脑海中可以操作的动态过程，这是任何纯理论阅读都无法替代的体验。

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