Modelica多领域物理系统建模入门与提高/飞机设计技术丛书 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:航空工业

作者:(美)迈克尔·M.蒂勒|译者

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译者:

出版时间:2017-05-01

价格:58.0

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isbn号码:9787516512098

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《控制系统设计与仿真：从理论到工程实践》 第一部分：经典控制理论基础与现代控制理论的引入 本书旨在为读者提供一套全面、深入且兼具工程实践指导意义的控制系统设计与仿真方法论。我们从控制理论的基石——经典控制理论出发，系统梳理了传递函数、状态空间表示法、系统的时域与频域分析等核心概念。 第一章：控制系统基础与数学描述 本章首先回顾了反馈控制系统的基本结构、历史演进及其在工业自动化、航空航天等领域的核心地位。重点讲解了线性时不变（LTI）系统的数学建模方法，包括建立系统的微分方程、传递函数表示（使用拉普拉斯变换）以及状态空间表示法。我们详细阐述了如何从物理定律（如牛顿第二定律、基尔霍夫定律）推导出精确的数学模型，为后续的分析和设计奠定基础。此外，本章还介绍了系统的基本时域性能指标，如超调量、调节时间和稳态误差，并引入了系统的极点与零点概念，阐明其对系统动态响应的决定性影响。 第二章：经典控制器的分析与设计 本章聚焦于工程中最常用、最直观的PID（比例-积分-微分）控制器。我们深入剖析了P、I、D各项参数对系统性能的独立贡献和相互作用。详细介绍了PID参数的整定方法，包括Ziegler-Nichols法（周期法与失振法）、基于性能指标的优化整定法，以及现代工程中广泛使用的Smith预估器设计原理。随后，我们转向频域分析，详细讲解了波德图、奈奎斯特图和根轨迹图的绘制与应用。特别是根轨迹法，被用作分析系统结构变化（如控制器增益变化）对系统稳定性和暂态响应影响的强大工具。我们通过大量的工程实例，演示如何利用这些图解工具来确保系统满足特定的相位裕度和增益裕度要求。 第三部分：现代控制理论与先进设计技术 随着系统复杂度的增加和对高性能要求的提升，现代控制理论成为解决多变量、强耦合系统问题的关键。本部分将从状态空间出发，构建更精密的控制律。 第三章：状态空间表示与可控性/可观测性分析 本章将系统的描述从输入输出转向内部状态变量。详细介绍了状态方程的构建、解法以及与传递函数的相互转换。重点讲解了系统的基本性质：可控性与可观测性。我们通过判别矩阵（可控性矩阵和可观测性矩阵）的秩来判断系统是否可以被完全控制或完全观测。对于不可控或不可观测的部分，我们讨论了如何进行模态分解，并解释了这些性质对控制器和观测器设计的影响。 第四章：极点配置与状态反馈设计 本章的核心是状态反馈控制器的设计。基于Ackermann公式，我们详细推导了如何通过选择适当的状态反馈增益矩阵 $mathbf{K}$ 来使闭环系统的所有极点放置在期望的位置，从而实现期望的动态性能。讨论了状态反馈设计的局限性——需要完全测量所有状态变量。随后，引入了对偶原理，为观测器的设计做铺垫。 第五章：状态观测器设计与 Luenberger 观测器 针对无法直接测量所有系统状态变量的实际情况，本章重点介绍了状态观测器的设计。我们详细阐述了Luenberger观测器的原理，推导了观测器增益矩阵 $mathbf{L}$ 的确定方法，确保估计误差的收敛速度和稳定性。我们还探讨了观测器与控制器之间的分离原理，使得控制器设计和观测器设计可以独立进行。 第六章：最优控制与 LQR 设计 本章进入更高级的控制设计领域。我们将系统性能评价从简单的时域指标扩展到基于二次型代价函数的优化问题。详细介绍了线性二次型调节器（LQR）的设计过程，即在系统动态约束下，最小化一个包含状态和控制输入的二次型代价函数。我们推导了代数黎卡提方程（ARE）的求解方法，并展示了如何通过调整权重矩阵 $Q$ 和 $R$ 来平衡系统的性能和控制能量消耗。 第四部分：鲁棒性分析与仿真实现 现代工程系统必须具备在模型不确定性或外部扰动下的稳定性与性能保障能力，即鲁棒性。 第七章：系统稳定性裕度和鲁棒性评估 本章探讨了如何量化系统的鲁棒性。除了经典的相位裕度和增益裕度外，我们引入了更强大的工具，如皮尔逊对偶原理和更现代的 $mu$ 综合理论的初步概念，用于分析参数不确定性对系统稳定性的影响。 第八章：仿真环境与工程实现 本章侧重于理论与实践的结合。我们将详细介绍主流的仿真工具（如MATLAB/Simulink，或特定的系统级仿真环境）中实现上述控制算法的步骤。内容涵盖了如何建立系统动态模型、导入控制器参数、进行时域和频域仿真验证，以及如何处理离散时间系统的实现问题。通过多个复杂的机电耦合系统案例，读者将掌握将理论设计转化为可运行仿真模型的全过程。 本书的结构由浅入深，理论论证严谨，并配有大量的工程案例解析，旨在培养读者从系统建模、理论分析、控制器设计到仿真验证的完整工程能力。

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在阅读这本书的过程中，我最大的感受就是它的实用性。书中提供的许多案例分析和工程实例，都极具参考价值。作者并没有回避设计过程中可能遇到的实际挑战，而是坦诚地分享了如何应对这些挑战的经验。我印象最深的是关于飞机结构强度设计的那部分，作者列举了几个不同类型飞机的结构设计案例，并详细分析了它们所面临的载荷和应力，以及相应的解决方案。这让我对飞机设计的实际操作流程有了更直观的理解，也让我认识到理论知识与实际应用之间的联系是多么紧密。

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这本书的插图和图表质量真是太棒了！每一张都非常清晰、精美，而且排版合理，即便是我这种对复杂技术图纸不太敏感的人，也能很快理解其中的信息。特别是那些关于空气动力学原理的示意图，真是栩栩如生，仿佛能看到气流在机翼上流动。而且，作者在讲解每一个概念的时候，都会辅以相应的图表，这极大地降低了学习门槛。我之前阅读过一些关于飞机设计的书籍，常常因为缺乏直观的视觉辅助而感到晦涩难懂，但这本书完全没有这个问题。即使是对于那些比较抽象的物理概念，比如高超声速流动或者复杂的结构应力分析，作者也通过巧妙的图示将其变得易于理解。

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不得不说，这本书的语言风格非常独特。作者在描述一些技术细节的时候，并没有使用枯燥乏味的专业术语堆砌，而是用一种非常生动、形象的比喻来阐释。例如，在讲解机翼的升力产生机制时，他将机翼比作一张“会飞的翅膀”，用“空气的拥抱”来形容压力差的作用。这种写法非常有感染力，让我感觉自己不像是在读一本技术手册，而更像是在听一位经验丰富的工程师娓娓道来他的工作心得。这种亲切感极大地激发了我继续阅读下去的兴趣，而且也让我更容易记住那些重要的知识点。

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这本书的深度令人印象深刻。它并没有停留在浅尝辄止的介绍层面，而是深入剖析了许多关键的飞机设计原理。对于那些希望深入了解飞机内部运作机制的读者来说，这本书无疑是一个宝藏。作者在讲解每一个章节时，都会追溯其背后的物理学原理，并将其与实际的设计应用紧密联系起来。我尤其喜欢关于飞行控制系统的那几章，作者详细地阐述了不同控制面的作用，以及它们是如何协同工作来保证飞机稳定飞行的。这种系统性的讲解，让我对飞机的整体设计有了更全面的认识。

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这本书的章节安排非常合理，循序渐进。它从最基础的飞行原理入手，逐步深入到更复杂的系统设计。每一个章节都像是在为下一章打下坚实的基础。我特别欣赏的是，作者在每个章节的结尾都会有一个小结，帮助读者回顾和巩固所学内容。而且，书中穿插的那些“设计者笔记”和“历史回眸”，更是增加了阅读的趣味性。我感觉自己不仅在学习技术知识，还在了解飞机设计的历史和演变，这让我对这个领域充满了敬意。

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