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出版者:Springer; 1 edition

作者:

出品人:

页数:343 页

译者:

出版时间:2001年

价格:110.0

装帧:平装

isbn号码:9787835404241

丛书系列:

图书标签:

• 自动机
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• 离散数学
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自动控制理论基础：原理、方法与实践 图书简介 本书旨在为读者提供一个全面而深入的自动控制理论基础框架，涵盖从经典控制理论到现代控制理论的核心概念、分析方法和设计技术。本书的结构清晰，内容翔实，特别强调理论与工程实践的紧密结合，旨在培养读者解决实际工程问题的能力。 第一部分：控制系统基础与时域分析 第一章：控制系统的基本概念与组成 本章首先界定了“控制系统”的内涵及其在工程领域中的重要性，详细阐述了开环系统与闭环反馈系统的结构、特点及其适用场景。通过对比分析，强调了反馈机制在提高系统性能、抑制扰动方面的决定性作用。内容涵盖了控制系统的基本组成部分（传感器、控制器、执行器），信号的表示方法（连续时间信号与离散时间信号），以及系统动态特性的描述方式（微分方程）。此外，本章引入了系统分类，如线性与非线性、时变与时不变系统，为后续章节的深入探讨奠定基础。 第二章：线性定常系统的数学模型 本章聚焦于线性时不变（LTI）系统的数学描述。我们从系统输入输出关系的基本线性微分方程出发，详细介绍了如何利用拉普拉斯变换（Laplace Transform）将时域的微分方程转化为频域的代数方程。系统的核心模型——传递函数（Transfer Function）被深入剖析，包括其物理意义、零极点结构以及对系统动态特性的影响。同时，本章也介绍了解析表示方法，如状态空间表示法，为现代控制理论的分析做准备。系统的框图代数和化简方法，如梅森增益公式，也在此部分进行了详尽的讲解和示例。 第三章：系统的暂态响应分析 暂态响应是衡量控制系统性能的关键指标之一。本章侧重于利用时域分析方法评估系统的动态行为。我们详细分析了一阶系统和二阶系统的标准形式，推导了单位阶跃输入下的响应曲线，并定义了超调量、上升时间、沉降时间和峰值时间等关键性能指标。通过对系统特征根（极点）位置与暂态响应之间关系的深入探讨，读者将能直观理解系统稳定性和响应速度的内在联系。本章还探讨了对典型输入（如斜坡输入、脉冲输入）的响应分析，并引入了系统误差的概念，为后续的稳态误差分析打下基础。 第四章：系统的稳态误差分析 稳态误差反映了系统在长期运行后，输出值与期望输入值之间的偏差。本章系统地讲解了如何利用系统的开环传递函数，通过终值定理或利用误差传递函数，计算系统对特定输入（如直流、匀速、抛物线）的稳态误差。本章深入分析了系统型别（Type Number）的概念，阐明了型别如何决定系统能够无误差跟踪的输入信号类型。针对存在稳态误差的情况，本章引入了PID控制器的基本结构，并简要说明了比例、积分、微分项对稳态误差的调节作用。 第二部分：频域分析与系统稳定性 第五章：频率响应分析法 频率响应是连接时域和频域的重要桥梁。本章介绍了频率响应函数的定义，以及如何通过代入 $s=jomega$ 来获取系统的频率特性。核心内容是波德图（Bode Plot）的绘制、解读与应用。我们详细讲解了如何根据传递函数快速绘制出幅频特性和相频特性的渐近线，并讨论了实际曲线与渐近线的偏差。此外，奈奎斯特图（Nyquist Plot）的绘制和解读被作为一种强大的工具来分析系统的稳定性，特别是处理无法通过传递函数直接确定零极点信息的复杂系统。 第六章：系统的相对稳定性与稳健性 稳定性是控制系统的首要前提。本章系统地探讨了绝对稳定性和相对稳定性。首先，我们复习了劳斯-赫尔维茨（Routh-Hurwitz）判据，这是一种纯代数方法，用于判断系统特征多项式的根的位置，从而判断闭环系统的稳定性，而无需计算特征根。随后，本章重点转向频域的稳定性判据：奈奎斯特稳定性判据。通过对开环传递函数在复平面的轨迹分析，我们能够判断闭环系统的稳定性，并定义了增益裕度（Gain Margin）和相角裕度（Phase Margin），这些是衡量系统稳健性的重要指标。 第七章：根轨迹分析法 根轨迹法是设计控制器结构和确定系统参数（如增益 K）的经典图形化工具。本章详细推导了根轨迹的基本规则，包括起折点、交点、渐近线角度的计算，以及如何利用相角条件和模值条件来精确绘制根轨迹。通过观察根轨迹在复平面上的移动路径，读者可以直观地了解系统增益变化对系统极点位置以及暂态性能的影响，从而指导控制器的设计以满足特定的动态要求。 第三部分：经典控制器的设计与补偿 第八章：PID 控制器原理与整定 比例-积分-微分（PID）控制器是工业界应用最广泛的反馈控制器。本章深入剖析了P、I、D三项各自对系统动态和稳态性能的贡献。详细介绍了PID控制器的三种基本形式（串联、并联）及其应用。重点讲解了PID控制器的工程整定方法，包括试凑法、齐格勒-尼科尔斯（Ziegler-Nichols）经典整定法，并讨论了在实际工程中应用PID控制器时可能遇到的问题（如积分饱和、微分项的噪声放大效应）。 第九章：控制系统校正（补偿）技术 当系统的开环或闭环性能不满足要求时，需要引入补偿器进行校正。本章主要讲解了超前（Lead）和滞后（Lag）补偿器的设计。对于超前补偿，我们分析了其如何改善系统的相频特性，提高系统的瞬态响应速度和相位裕度；对于滞后补偿，我们探讨了其如何减小系统的稳态误差，同时对动态性能的影响相对较小。本章的重点在于如何根据目标（如所需增益裕度和相位裕度），利用频率响应图（波德图）系统地设计补偿器的参数。 第十章：PID 控制器的结构与现代变体 本章扩展了对PID控制器的理解，引入了更适应现代工程需求的变体。讨论了增量式PID（Incremental PID）与位置式PID的差异及其在实际执行器控制中的应用。此外，还介绍了前馈控制（Feedforward Control）的概念，说明了如何通过测量扰动或参考输入信息来预先补偿系统的不足，以实现更快速的响应和更低的误差。 第四部分：现代控制理论基础 第十一章：状态空间表示法 现代控制理论的核心是状态空间方法。本章详细介绍了如何将高阶线性微分方程系统转化为标准的一阶线性微分方程组（状态方程），并引入了状态向量、状态空间和输出方程的概念。本章重点讲解了系统的基本性质：能控性（Controllability）和能观测性（Observability）。通过可控性矩阵和可观测性矩阵的计算，读者将掌握判断系统是否可以通过输入完全控制，以及是否可以通过输出完全观测的工程依据。 第十二章：状态反馈与极点配置 基于状态空间方法，本章探讨了如何利用状态反馈来重构系统的动态行为。核心内容是极点配置（Pole Placement）技术，即通过设计合适的反馈增益矩阵 $K$，使得闭环系统的极点能够放置在期望的位置，从而实现期望的系统动态响应。本章详细阐述了Ackermann公式在单输入系统中的应用，并讨论了状态反馈对系统能控性的依赖关系。 总结 本书内容覆盖了控制工程的基石，从时间域的直观分析到频率域的稳健性评估，再到状态空间下的现代设计方法。通过大量的工程实例和清晰的数学推导，本书力求为读者构建一个坚实且可应用的控制理论知识体系。

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这本书在章节间的逻辑衔接上做得堪称教科书级别，每一部分内容的递进都像是精心编排的乐章，层层深入，自然而然。它成功地避免了许多专业书籍中常见的“知识孤岛”现象，即不同主题之间缺乏必要的桥梁。作者似乎非常注重读者的认知负荷，通过精妙的总结和预告，确保读者始终清楚自己处于整个知识体系的哪个位置，以及下一步将要前往何方。当你读完一个看似独立的章节后，总能发现它与前文的基础理论有着千丝万缕的联系，并且为后续更宏大的主题奠定了不可或缺的基石。这种全局观的构建能力，使得读者在掌握细节的同时，从未迷失于整体的宏图之中。这种结构上的精妙设计，极大地降低了复杂知识的消化难度，让学习曲线变得平滑而高效。可以说，这本书不仅传授了知识，更重要的是提供了一种系统思考问题和构建知识树的范式。

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从应用层面上来看，这本书展现出了一种罕见的实用主义倾向，它没有仅仅停留在理论的象牙塔中，而是花费了大量的篇幅来探讨如何将这些复杂的模型和框架落地到实际的工程问题中。书中列举的案例分析非常具有启发性，它们不仅展示了理论的威力，更重要的是揭示了在真实世界的约束条件下，理论需要做出何种调整和妥协。我特别欣赏它对“局限性”的坦诚讨论，作者清晰地指出了在特定场景下，该方法可能存在的瓶颈和潜在的陷阱，这比一味地歌颂其优点要负责任得多。这种“知其然，更知其不可为”的态度，培养了读者批判性思考的能力，使人不会盲目地套用模型。对我个人而言，书中关于特定工具集成的章节提供了立即可用的操作指南，让我能迅速地将书中的知识转化为生产力，这种知识到行动的转化效率，是衡量一本技术书籍是否真正优秀的重要标准，而本书在这方面做得非常出色。

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这本书的行文风格充满了古典的沉稳与现代的锐利，这是一种非常难得的平衡。它没有采用那种过于口语化或过于晦涩难懂的语言模式，而是保持了一种清晰、精确且富有节奏感的叙述。读起来，仿佛在聆听一位经验极其丰富的导师在进行一对一的讲解，既有学术的深度，又不乏引导的智慧。作者似乎深谙如何用最恰当的比喻来解释最抽象的概念，使得那些原本在脑海中盘旋不去的困惑，在读到关键的段落时，豁然开朗。尤其是一些历史背景的穿插，使得原本僵硬的理论拥有了鲜活的生命力，让人明白这些理论是如何在历史长河中被提出、发展和完善的。这种叙事技巧，极大地增强了阅读的沉浸感，让学习不再是枯燥的记忆过程，而更像是一场追溯真理的探险。读完一个章节，我常常会停下来，回味那种被清晰逻辑所包裹的满足感，这远非其他快餐式的读物所能比拟。

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这本书的排版和装帧实在令人惊艳，尤其是对于这种技术性较强的读物来说，能够做到如此精美的设计实属不易。从打开书的那一刻起，那种厚重而又不失细腻的手感就立刻抓住了我。纸张的选择似乎经过了精心考量，墨水在上面洇染得恰到好处，使得那些复杂的公式和图表即便是长时间研读也不会让人感到视觉疲劳。我尤其欣赏它在章节过渡和重要概念引入时的视觉处理，那些巧妙融入的几何图形和符号装饰，不仅没有分散注意力，反而为枯燥的理论增添了一丝艺术气息。装订工艺也十分扎实，书脊在完全展开时依然保持着良好的支撑力，这对于经常需要对照前后章节的读者来说简直是福音。总而言之，这本书的物理形态本身就是一种对阅读体验的尊重和提升，让人愿意将它放在书架上，时不时地拿出来翻阅，而非仅仅是作为工具书束之高阁。这种对细节的极致追求，无疑为读者树立了一个极高的入门标准，让人对后续的内容充满了期待，仿佛在开启一场精心筹备的阅读之旅。

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初读此书，我最大的感受是作者在构建知识体系上的那种近乎偏执的严谨性。书中对于每一个基础概念的界定，都力求做到滴水不漏，参考文献的引用也极为详尽和权威，这让我在学习新理论时感到无比踏实。它不像市面上很多教材那样，为了追求速度和覆盖面而牺牲深度，而是选择了一条更为稳健的路径，确保读者在每一步都站稳了脚跟。例如，在阐述某一高级算法的逻辑推导时，作者并没有直接跳到最终结论，而是耐心地回溯到最初的几个公理层面，一步步搭建起逻辑的阶梯。这种详尽的铺陈，对于那些希望深入理解事物本质而非仅仅是掌握表层技巧的学习者来说，是无价之宝。我发现自己不再需要频繁地在不同资源间跳跃去验证某个小细节的准确性，因为这本书本身就提供了一个高度自洽且可靠的知识宇宙。这种深入骨髓的学术态度，体现了作者深厚的学养和对读者的责任感，使得本书的价值远超其印刷的成本。

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