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出版者:7-122

作者:姜秀英

出品人:

页数:193

译者:

出版时间:2007-9

价格:25.00元

装帧:

isbn号码:9787122007834

丛书系列:

图书标签:

• 过程控制
• 自动化
• 工业控制
• PLC
• DCS
• PID控制
• 模拟控制
• 实训
• 实验
• 控制系统

深入理解与实践：现代控制理论的基石与应用 本书旨在为读者构建一个全面、深入的现代控制理论知识体系，并将其理论知识与实际工程应用紧密结合。全书内容覆盖了从经典控制到现代控制的演进，着重探讨了状态空间方法的精髓、先进的反馈控制设计技术，以及在复杂系统中的应用与分析。 第一部分：控制系统的基础与经典回顾 本部分作为理论体系的奠基，首先对控制系统进行系统的分类和基本概念的阐述。我们详细讨论了系统的时域响应、频域特性，并回顾了经典的传递函数方法和根轨迹分析。 1.1 自动控制系统的基本要素与发展脉络： 追溯控制技术从简单的开环到复杂闭环反馈的演变历程，明确反馈在提高系统性能、抑制扰动中的核心作用。重点剖析了线性定常系统（LTI）的建模基础。 1.2 经典控制理论的精要： 深入解析了拉普拉斯变换在系统分析中的应用，对一阶、二阶系统的瞬态响应特性进行了细致的数学推导和物理意义的阐释。传递函数是本章的核心工具，用于描述系统的输入输出关系。 1.3 频率响应分析： 详述了奈奎斯特稳定判据和波德图分析方法。这些工具对于评估系统的相对稳定性、带宽和稳态性能至关重要。我们通过大量实例演示了如何利用频率特性曲线来指导控制器的初步设计。 第二部分：状态空间方法的构建与系统结构分析 进入现代控制理论的核心领域，本书将重点转向状态空间表示法，这是描述多输入多输出（MIMO）复杂系统的最有效工具。 2.1 状态变量的选取与系统状态方程的建立： 阐述了什么是状态变量，以及如何根据物理系统的结构（如电路、机械系统）建立严格的$dot{mathbf{x}} = mathbf{Ax} + mathbf{Bu}$ 形式的状态方程。讨论了物理状态变量与标准形（如约旦标准形、控制标准形、观测标准形）之间的转换。 2.2 系统特性的分析： 详细讲解了如何利用系统矩阵 $mathbf{A}$ 来判定系统的稳定性（李雅普诺夫稳定性判据）。引入了能控性和能观性的概念，这是后续设计先进控制器和观测器的先决条件。对可控性和可观性的代数判据（如卡尔曼判据）进行了严格的数学证明和工程解释。 2.3 系统的解与时间响应： 导出了状态转移矩阵 $mathbf{Phi}(t) = e^{mathbf{At}}$ 的求解方法，包括利用矩阵指数定义、对角化法和拉普拉斯逆变换法。分析了线性系统的自由响应和容积响应。 第三部分：现代控制器的设计与实现 本部分是全书的实践核心，聚焦于如何利用状态空间模型设计高性能的反馈控制器。 3.1 完全状态反馈控制设计（极点配置）： 深入阐述了 Ackerman 公式在确定反馈增益 $mathbf{K}$ 上的应用。通过将闭环系统的特征值（极点）放置在复平面上期望的位置，实现对系统动态性能的精确塑形。探讨了最优极点配置的意义。 3.2 系统的能观测性与状态观测器设计： 鉴于实际中无法直接测量所有状态变量，本章介绍了状态观测器的设计。重点讲解了 Luenberger 观测器的原理和增益 $mathbf{L}$ 的确定，该增益的确定基于系统矩阵 $mathbf{A}$ 和观测性矩阵，与极点配置的原理相互映照。 3.3 结合反馈与观测器的设计（带观测器的状态反馈）： 将前两者的成果结合，形成完整的状态估计与反馈控制结构。分析了观测器误差动态与主系统动态之间的解耦性，这是实现有效控制的关键。 3.4 线性二次型调节器（LQR）的理论与应用： 作为最优控制的代表，LQR 通过最小化一个二次型的性能指标函数（包含状态误差和控制能量），自动计算出最优的反馈增益 $mathbf{K}$。详细介绍了代数黎卡提方程（ARE）的求解方法，并讨论了 LQR 设计在鲁棒性和性能之间的权衡。 第四部分：先进控制技术与系统拓展 本部分将理论延伸至更具挑战性的实际问题，涵盖了对系统不确定性和非线性的处理。 4.1 鲁棒控制基础： 面对模型不确定性和外部干扰，引入了鲁棒性的概念。简要介绍了 $mathcal{H}_{infty}$ 控制的基础思想，即在最坏情况下保证系统性能的控制设计，这是现代工程领域对控制系统提出的基本要求。 4.2 线性系统中的最优估计：卡尔曼滤波（KF）： 系统地介绍了卡尔曼滤波的递归算法。卡尔曼滤波是处理系统和测量噪声下的最优线性无偏估计器，其在导航、定位和数据融合领域的应用极为广泛。我们详细推导了增益矩阵的计算和状态预测/更新的步骤。 4.3 非线性系统的基础分析： 简要介绍了非线性系统的挑战，并引入了线性化方法（如泰勒级数展开法）将局部非线性系统近似为线性系统进行初步控制设计。为后续更深入的非线性控制（如滑模控制、反馈线性化）打下基础。 全书的特点在于，每介绍完一个核心理论概念，都会紧接着配以大量的数学推导和工程实例分析，力求使读者不仅知其“如何做”，更能理解其背后的“为何如此”。 --- 目标读者群： 本书适合于自动化、电气工程、机械工程、航空航天工程等领域的本科高年级学生、研究生以及从事工业控制和系统工程的专业技术人员。对读者而言，具备微积分、线性代数和基本的电路或力学基础是必要的。通过本课程的学习，读者将能够独立完成复杂系统的数学建模、稳定性分析和高性能反馈控制器的设计。

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这本关于过程控制系统的实训教材，在动手实践环节的处理上，确实让我眼前一亮。它不仅仅停留在理论知识的讲解，更注重将复杂的工程问题分解成一个个可操作的实验模块。我记得有一次，我们在进行PID参数整定时，书中的步骤引导得非常清晰，从理论推导到实际操作中的数据采集与分析，每一步都有详尽的说明。特别是对于常见传感器和执行器的接口调试部分，即便是初学者也能很快上手。书中提供的虚拟仿真环境也非常实用，它模拟了真实工业场景中的各种干扰和非线性因素，这使得我们在不浪费实际物料的情况下，就能反复验证和优化控制策略。这种“边学边做，即时反馈”的学习模式，极大地提升了我对控制系统底层逻辑的理解深度。如果说有什么可以改进的地方，或许是仿真模型的复杂度和真实度还能再进一步提升，这样对于准备进入更高阶工业领域的同学会更有帮助。但总体而言，作为一本实训指导书，它的实用性和操作性是毋庸置疑的。

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我更关注的是这本书如何引导我们进行工程思维的培养。过程控制的精髓在于权衡和取舍。这本书在案例分析中，非常巧妙地引入了经济性、能耗和环境影响等非技术指标。比如，在设计一个加热炉的温度控制方案时，它不仅要求温度精度达标，还引导读者比较不同控制策略在能源消耗上的差异，并要求最终选择一个“最优”的综合方案。这种全方位的、贴近真实项目需求的分析角度，是单纯的理论学习无法给予的。它教会我，一个好的控制工程师不光要懂“怎么做”，更要懂“为什么这样做是最好的选择”。这种培养系统化、决策性工程思维的引导，让我对未来参与实际工程项目充满了信心。

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我对这本书的结构安排和内容深度感到非常满意。作者显然对过程控制领域的教学有着深刻的洞察力。它不像某些传统教科书那样堆砌大量的数学公式，而是巧妙地将理论与应用场景紧密结合。例如，在讲解先进控制策略时，比如模糊控制或模型预测控制（MPC），它并没有直接抛出深奥的数学模型，而是先用一个实际的化工过程（如精馏塔温度控制）来引出为什么需要这种先进控制，再逐步深入到算法原理。这种“问题驱动”的教学方法，让我更容易理解知识点的实际价值。更值得称赞的是，书中对故障诊断和安全联锁系统的介绍，内容详实且贴近实际工业规范，这对于培养我们对系统稳定性和可靠性的敬畏之心至关重要。读完相关章节后，我感觉自己对整个控制系统的“全生命周期”管理都有了更全面的认识，而不仅仅是停留在“调参”层面。

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从一个更加注重理论基础和前沿动态的角度来看，这本书的价值同样不可忽视。虽然侧重于“实训”，但其理论深度足以支撑起一个本科高年级或研究生入门级别的学习。它对经典控制理论（如传递函数、频率响应分析）的复习部分简洁而精准，没有赘述，而是迅速过渡到现代控制理论在实际系统中的应用案例。特别是对离散化方法和数字控制算法的讨论，紧跟当前工业控制器的发展趋势。我特别欣赏其中关于工业以太网通信协议（如EtherNet/IP或Profinet）在控制系统集成方面的探讨，这在许多传统教材中是付之阙如的。这本书似乎在努力架设一座桥梁，连接经典的控制原理与当前工业4.0背景下的数字化、网络化控制要求，确保读者学到的知识不过时。

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这本书的排版和插图质量，对于一本技术类书籍来说，是影响阅读体验的关键因素之一。坦白说，这本书在这方面做得相当出色。图文并茂的呈现方式，使得那些抽象的概念变得可视化。比如，在描述DCS（集散控制系统）的架构时，书中的系统拓扑图清晰地标示了各个层级的功能划分和数据流向，让人一目了然。再者，注释和术语的解释都非常到位，很多行业内约定俗成的缩写都有详细的中文解释，这对于我们这些需要阅读大量英文技术文档的学习者来说，省去了不少查阅时间。阅读过程中很少遇到因图示不清或排版混乱导致的理解障碍，这使得学习过程非常流畅和愉快，体现了编辑团队的专业水准。

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