自动控制原理简明教程

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页数:261
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出版时间:2008-11
价格:26.80元
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isbn号码:9787508380964
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  • 自动控制原理
  • 控制工程
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  • 信号与系统
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具体描述

《自动控制原理简明教程》为21世纪高等学校规划教材。《自动控制原理简明教程》共分为八章,内容包括控制系统的数学模型、控制系统的时域分析与系统设计导论、控制系统的根轨迹分析与设计、控制系统的频域分析与设计、离散控制系统的分析与设计以及非线性控制系统的分析等。

现代系统工程中的基石:深入解析《动态系统建模与仿真技术》 图书简介 本书旨在为工程师、科研人员以及高等院校师生提供一本全面、深入且极具实践指导意义的著作,聚焦于现代工程领域中至关重要的动态系统建模与仿真技术。本书的核心目标并非停留在传统的、基于特定控制方法论的介绍,而是着眼于构建和分析任意复杂动态系统的通用数学框架与计算方法,为解决现实世界中跨学科的工程挑战奠定坚实的理论与技术基础。 在当前科技飞速发展的时代背景下,无论是航空航天、精密制造、生物医学工程,还是能源管理与环境监测,几乎所有高级工程系统都具有显著的动态特性。理解、预测和优化这些系统的行为,建模是首要且关键的一步。本书摒弃了对单一控制流派的过度偏倚,转而系统地阐述了如何从物理机理、实验数据乃至混合信息中提取出描述系统行为的数学模型。 第一部分:动态系统的数学表征与基础理论 本书的开篇将带领读者构建起理解动态系统的数学语言体系。我们深入探讨了从微分方程、差分方程到状态空间表示的演进路径。特别地,状态空间方法作为现代系统分析的通用工具,将获得详尽的介绍。我们不仅会讲解线性定常系统的标准形式,还会重点剖析非线性系统的建模挑战,包括奇异摄动法、几何奇异性处理以及如何有效地将复杂的物理定律(如拉格朗日方程、麦克斯韦方程组在特定场景下的简化)转化为可用于仿真的标准状态空间形式。 对于那些涉及随机扰动或不确定性的系统,本书引入了随机过程理论在系统描述中的应用,包括对维纳过程、泊松过程的系统性介绍,并将其与卡尔曼滤波等状态估计技术相结合,展示了如何在不确定性环境中获得系统状态的有效估计。 第二部分:面向仿真的建模技术与方法论 一个好的数学模型必须是可仿真的。本部分是本书的实践核心,它关注如何将抽象的数学描述转化为高效、可靠的计算机模拟。 1. 物理建模与面向对象的建模语言: 我们详尽考察了基于物理原理的建模方法,特别是面向对象的(Object-Oriented)建模范式。这包括对如Modelica等高级建模语言的深入介绍,重点分析其如何通过继承、封装和连接器的概念,实现对多领域(多物理域)系统的统一描述。读者将学会如何构建可重用、高内聚的物理组件模型,并在此基础上搭建复杂的耦合系统。 2. 离散化与数值积分: 连续时间系统必须通过数值方法进行离散化才能在数字计算机上求解。本书对各种主要的数值积分器进行了深入的比较分析,包括欧拉法、龙格-库塔法(高阶)、辛积分器(针对哈密顿系统)以及变步长算法(如BDF法)。分析重点在于评估不同方法的精度、稳定性和计算效率,并提供在特定工程问题中选择最佳算法的决策指南。 3. 复杂系统的分解与集成: 现实世界的工程系统往往由多个子模块构成,每个子模块可能采用不同的建模技术(例如,一个模块是基于机理的,另一个是基于数据的)。本书详细介绍了多速率仿真、并行计算策略以及模型连接标准(如FMI/FMU),确保读者掌握如何将异构模型高效地集成到一个统一的仿真环境中进行协同仿真。 第三部分:模型验证、简化与参数辨识 仿真结果的有效性直接依赖于模型本身的质量。本书投入大量篇幅讨论如何确保模型的保真度(Fidelity)和实用性。 1. 模型简化与降阶: 高保真模型往往计算成本极高,不适合实时应用或高频迭代设计。我们系统阐述了模态分析、平衡截断法(Balanced Truncation)、奇异摄动法降阶等线性系统降阶技术。对于非线性系统,则探讨了中心流形理论在识别系统主要动态行为方面的应用,旨在提取出计算复杂度大大降低的“简化模型”而不损失关键动态信息。 2. 参数辨识与数据驱动模型修正: 并非所有物理参数都能精确测量。本部分介绍了系统辨识的基础,涵盖了基于最小二乘法的在线/离线参数估计技术。重点分析了如何利用实验数据或历史运行数据,通过优化算法(如梯度下降、遗传算法)来迭代修正模型中的未知参数,直至仿真结果与实际观测数据达到满意的吻合度。 3. 模型验证与不确定性量化(UQ): 最终,模型必须经过严格的验证。本书介绍了对比实验数据、敏感性分析(Adjoint Sensitivity Analysis)以及不确定性量化的方法。通过蒙特卡洛模拟或概率加权方法,评估模型参数微小波动对系统输出的整体影响范围,从而量化仿真预测的可靠性边界。 总结 《动态系统建模与仿真技术》超越了对单一学科或工具的讲解,它提供了一套完整的、可操作的系统思维框架。读者将不仅学会如何“解”微分方程,更重要的是学会如何“构建”能准确反映物理现实的数学描述,并掌握利用现代计算工具“验证”这些描述的严谨流程。本书是为渴望掌握现代复杂系统设计与分析核心技能的工程师和研究人员量身打造的必备参考书。

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读后感

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用户评价

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对于我这样一名初学者来说,自动控制理论往往意味着难以理解的概念和复杂的操作。我曾经尝试阅读过一些其他资料,但往往因为内容过于深奥或讲解不够细致而半途而废。《自动控制原理简明教程》却给了我完全不同的体验。它以一种极其友好的方式,将自动控制的精髓娓娓道来。书中的内容组织非常合理,从最基本的“什么是自动控制”开始,一点点揭示其内在的奥秘。开篇对典型自动控制系统的介绍,比如航空发动机的节气门控制,或者工业生产线上的温度控制,都非常生动形象,让我一下子就抓住了自动控制在现实世界中的重要性和应用价值。我非常赞赏书中在讲解系统建模部分时所采取的方法。它并没有上来就要求读者掌握复杂的建模技术,而是从物理系统的基本原理出发,通过对质量、惯性、阻尼等物理量的分析,逐步建立起系统的数学模型。这使得即使对数学建模不太熟悉的读者,也能逐渐理解模型是如何从物理现实中抽象出来的。书中所介绍的各种分析方法,例如时域分析中的瞬态响应和稳态响应,频率域分析中的伯德图和奈奎斯特图,以及稳定性分析中的劳斯判据等,都进行了清晰的讲解。尤其是对伯德图的讲解,作者通过对幅频特性和相频特性的分解和分析,让我能够理解不同频率下系统的响应特性,以及如何通过伯德图来判断系统的稳定性。此外,书中还涉及了现代控制理论的一些基本概念,例如状态空间描述,虽然这部分内容相对更抽象一些,但作者同样采用了由简入繁的方式,从简单的二阶系统出发,逐渐引出了状态变量的概念,以及状态方程和输出方程的含义。每当遇到一些难点概念时,书中都会提供大量的插图和表格,将抽象的数学推导过程可视化,这极大地减轻了我的学习压力,并帮助我更好地理解和记忆。总而言之,这是一本非常适合初学者入门的书籍,它用耐心和细致,为我打开了通往自动控制世界的大门。

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我一直认为自动控制是一门高深的学科,需要深厚的数学功底和工程经验才能驾驭。然而,《自动控制原理简明教程》这本书,却用一种令人惊讶的“简明”方式,将这门学科的精髓展现在我面前。它没有冗长的理论推导,也没有过于抽象的概念,而是从最基础的“系统”概念出发,一步步引导读者理解自动控制的原理。书中对各种典型自动控制系统的介绍,如温度控制系统、位置控制系统等,都非常生动形象,让我能够很快地进入学习状态。我特别欣赏书中对传递函数和系统框图的讲解。传递函数是将输入输出关系抽象成一个数学表达式,而系统框图则是一种直观地表示系统组成和信号流动的图形化工具。这两者结合,极大地简化了系统的分析和设计过程。通过大量的例题,我学会了如何构建系统的框图,以及如何计算系统的传递函数。在系统分析部分,时域分析和频率域分析都得到了详细的阐述。时域分析让我理解了系统的瞬态响应和稳态响应,以及如何评价这些响应的性能。频率域分析则让我学会了如何通过伯德图和奈奎斯特图来分析系统的频率特性和稳定性。尤其是对奈奎斯特判据的讲解,它通过对开环传递函数在复平面的轨迹进行分析,来判断闭环系统的稳定性,这是一种非常巧妙的分析方法。此外,书中还涉及了控制器设计的部分,例如PID控制器。我学会了PID控制器的基本原理,以及如何通过调整比例、积分、微分参数来优化系统的性能,如提高响应速度、减小稳态误差等。这本书的语言风格清新自然,逻辑清晰,并且配有丰富的图例和表格,使得学习过程更加顺畅和高效。

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这本书的出现,对于我这样的自动控制初学者来说,无疑是一场及时雨。它用一种极其易懂、极其有条理的方式,将自动控制这门复杂学科的核心知识呈现出来。从最基础的“系统”概念出发,到如何用数学语言描述系统,再到如何分析和控制系统,整个过程都显得那么顺理成章。《自动控制原理简明教程》在内容编排上,极其注重逻辑的连贯性。它不会在一个章节中突然出现许多新概念,而是将知识点逐一分解,并循序渐进地引入。例如,在讲解系统的数学建模时,它先从物理系统的基本原理出发,通过对能量和质量的分析,推导出系统的微分方程,然后才引出传递函数的概念,并说明其在简化系统分析中的作用。我尤其欣赏书中对系统稳定性分析的讲解。稳定性是自动控制系统中至关重要的一环。本书详细介绍了劳斯判据、根轨迹法、奈奎斯特判据等多种稳定性判据,并提供了大量的例题来帮助读者理解。尤其是对根轨迹法的介绍,它通过图形的方式直观地展示了系统参数变化对系统极点位置的影响,从而使得对系统稳定性的理解更加深入。此外,书中对控制器设计部分的讲解也十分实用。PID控制器作为最经典的控制器之一,其原理、参数整定方法以及各种整定技巧,都被清晰地呈现在读者面前。通过书中提供的具体算例,我学会了如何根据系统的实际性能要求,来调整PID控制器的比例、积分和微分参数,从而获得满意的控制效果。这本书的语言风格平实而富有条理,没有过多的学术术语堆砌,使得即使是初学者也能轻松阅读,并理解其中的含义。

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这本书为我打开了自动控制的“新世界”大门,让我不再对这门学科感到畏惧。很多时候,我们以为高深的理论是遥不可及的,但《自动控制原理简明教程》却用一种循序渐进、由浅入深的方式,将自动控制的精髓展现在我眼前。它没有上来就堆砌复杂的公式,而是从一些最基本、最直观的概念开始,比如“系统”是什么,“控制”是什么,以及自动控制系统和手动控制系统之间的区别。然后,它逐步深入到系统的数学描述,如传递函数、系统框图等,这些工具的引入都显得那么自然。我对书中对传递函数概念的讲解印象深刻。它将复杂的微分方程转化成了一个更为简洁的代数形式,这极大地简化了系统的分析和设计过程。通过大量的例题,我学会了如何从物理模型推导出传递函数,以及如何通过传递函数来理解系统的动态特性。稳定性分析是自动控制的核心内容,本书在这方面给予了足够的篇幅。从劳斯判据的代数稳定性判别,到根轨迹法对系统参数变化的影响的直观展示,再到奈奎斯特判据的频率域稳定性分析,作者都做了清晰而详尽的讲解。尤其是对根轨迹法的介绍,它就像一幅描绘系统“生命线”的地图,让我能够清晰地看到系统参数调整时,闭环极点如何在s平面上移动,从而影响系统的稳定性。此外,书中还涉及了控制器设计的部分,例如PID控制器。我学会了PID控制器的基本原理,以及如何通过调整比例、积分、微分参数来改善系统的性能,如加速响应、减小稳态误差等。这本书的语言风格非常平易近人,就像一位经验丰富的老师在耳边细语,引导我一步步地学习和理解。

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我一直对那些能够“自动”完成任务的系统感到着迷,而《自动控制原理简明教程》这本书,则为我揭示了这些神奇系统背后的原理。它就像一本操作指南,让我一步步地探索自动控制的奥秘。书中对不同类型系统的介绍,从经典的二阶系统到更复杂的MIMO系统,都做了清晰的界定和分析。我尤其喜欢书中对反馈控制的讲解,它用通俗易懂的语言解释了反馈是如何工作的,以及为什么闭环控制系统能够实现更精确和稳定的控制。比如,书中以恒温水壶为例,详细阐述了温度传感器如何检测水温,控制器如何根据设定温度与实际温度的差异来调整加热元件的功率,以及执行器如何最终实现温度的精确控制。这种贴近生活的例子,让我能够迅速抓住自动控制的核心思想。在系统建模部分,本书采用了一种非常严谨但又不失简明的态度。它从物理系统的基本定律出发,通过对系统参数的分析,逐步推导出系统的数学模型,例如传递函数。作者还详细介绍了各种线性时不变系统的建模方法,以及如何从实验数据中辨识系统的模型。这部分内容对于将理论知识应用于实际工程问题非常有帮助。在系统分析部分,书中对时域响应和频率域响应的讲解都非常到位。我通过阅读时域响应的章节,理解了系统的瞬态性能和稳态性能,以及超调量、调节时间、稳态误差等重要概念。频率域响应的章节则让我学习了如何使用伯德图和奈奎斯特图来分析系统的频率特性和稳定性。尤其是对伯德图的讲解,作者通过对幅频特性和相频特性的分解,让我能够从不同频率的输入信号对系统的影响程度,来理解系统的动态行为。这本书的语言风格平实而富有条理,逻辑链条清晰,让我在阅读过程中几乎不会遇到理解上的障碍。

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在接触《自动控制原理简明教程》之前,我对自动控制的理解仅仅停留在一些模糊的概念上,总觉得它是一个非常专业且难以掌握的领域。然而,这本书的出现,彻底改变了我的看法。它以一种极其简洁明了的方式,将自动控制的各个方面进行了梳理和阐述,让我得以窥见其全貌。书中的内容组织非常清晰,从最基础的系统定义,到系统的数学建模,再到系统的分析和控制器设计,每一个环节都衔接得天衣无缝。我尤其赞赏书中对系统建模的讲解。它并没有直接给出复杂的数学方程,而是从物理系统的基本原理出发,通过对能量守恒、动量守恒等基本定律的运用,来推导出系统的微分方程,进而得到系统的传递函数。这种从物理本质到数学模型的过程,让我能够更深刻地理解系统的内在规律。然后,书中详细介绍了各种分析方法,包括时域分析和频率域分析。在时域分析部分,我学会了如何通过阶跃响应、脉冲响应等来评价系统的动态性能,例如超调量、调节时间、稳态误差等。在频率域分析部分,我学习了如何使用伯德图和奈奎斯特图来分析系统的频率响应特性,并判断系统的稳定性。尤其是对伯德图的讲解,它将系统在不同频率下的增益和相位变化可视化,让我能够清晰地了解系统对不同频率信号的响应情况,以及如何通过调整系统参数来改善频率响应。此外,书中还涵盖了控制器设计的一些基本内容,例如PID控制器。我学会了PID控制器的基本原理,以及如何根据系统的性能要求来调整其参数,从而优化控制效果。这本书的语言风格平实而富有逻辑性,配以大量的图示和例题,使得学习过程更加高效和有趣。

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这本书的价值,在于它能够将自动控制这门复杂的工程学科,以一种极其清晰且易于理解的方式呈现给读者。我并非是自动控制领域的专业人士,但通过阅读《自动控制原理简明教程》,我逐渐建立起对这门学科的基本认知和深刻理解。书中首先从最基础的“系统”概念入手,定义了什么是自动控制系统,以及自动控制系统的基本组成部分,例如传感器、控制器、执行器等。通过对这些组成部分的详细介绍,我能够理解一个完整的自动控制系统是如何协同工作的。我对书中关于系统建模部分的讲解特别感兴趣。它并没有直接给出复杂的数学方程,而是通过对物理系统的基本定律进行分析,例如牛顿第二定律、基尔霍夫定律等,来推导出系统的微分方程,进而得到系统的传递函数。这种从物理原理到数学模型的转化过程,对于理解系统的本质非常重要。书中还重点介绍了各种分析方法,包括时域分析和频率域分析。在时域分析部分,通过对阶跃响应、斜坡响应等典型输入信号下的系统响应进行分析,我了解了超调量、调节时间、稳态误差等评价系统性能的关键指标,并且明白了这些指标是如何受到系统参数影响的。在频率域分析部分,伯德图和奈奎斯特图的应用让我能够从频率的角度来理解系统的动态特性,并对系统的稳定性进行判断。我尤其欣赏书中对稳定性判据的介绍。劳斯判据、根轨迹法、奈奎斯特判据等,作者都分别进行了详细的讲解,并提供了大量的例题来帮助读者理解。特别是对奈奎斯特判据的解读,作者通过解释相角裕度和增益裕度,让我明白了系统在何种情况下能够保持稳定,以及如何通过调整控制器参数来改善系统的稳定性。这本书的语言风格简洁明了,逻辑清晰,并且配有大量的图示和表格,极大地提高了学习效率。

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当我拿起这本书时,我带着对自动控制的敬畏和一丝丝的胆怯。自动控制,这个词语本身就充满了科技感和神秘感,总让人觉得与高深莫测的数学和复杂的工程设计紧密相连。然而,这本书的封面设计以及扉页上的文字,却传递出一种亲切和易近的感觉,让我放下了心中的顾虑。《自动控制原理简明教程》在内容编排上,有着清晰的逻辑脉络。它从最基础的系统定义、组成部分开始,逐步深入到系统的数学描述,再到系统的时域分析、频率域分析以及稳定性分析。每一个章节的引入都显得那么自然,仿佛是顺理成章的延伸。我尤其欣赏书中对数学工具的引入方式。它不是冷冰冰地抛出公式,而是先解释这个数学工具在解决控制问题中的作用,然后再详细介绍其推导过程和应用方法。例如,在介绍拉普拉斯变换时,作者并没有直接给出复杂的定义,而是先说明了它在简化微分方程求解中的巨大优势,然后再一步步引导读者理解其背后的原理。书中对传递函数概念的阐述也十分透彻,通过对不同系统进行传递函数建模,让我清晰地看到了系统输入与输出之间的数学关系,这为后续的分析奠定了坚实的基础。时域响应分析部分,通过阶跃响应、脉冲响应等基本响应的分析,让我直观地理解了系统的动态行为,比如超调量、调节时间和稳态误差等重要性能指标。这些指标的含义和它们对系统性能的影响,书中都做了非常清晰的解释,并且通过图形和图示来辅助理解。稳定性分析是自动控制的核心内容之一,本书对此给予了足够的重视。无论是劳斯判据还是根轨迹法,都做了详细的介绍。尤其是根轨迹法,它将系统参数变化对系统极点位置的影响直观地展现出来,这对于理解系统的稳定性裕度和调整系统性能非常有帮助。我特别喜欢书中大量的例题,这些例题覆盖了不同类型的系统和不同的分析方法,并且提供了详细的解题步骤和思路,让我能够在练习中巩固所学知识,并且学会如何将理论应用于实际问题。

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拿到《自动控制原理简明教程》这本书,我最直接的感受就是它的“简明”二字名副其实。它并没有追求内容的包罗万象,而是将自动控制领域最核心、最基本的内容进行了提炼和梳理,以一种更加聚焦、更加有条理的方式呈现出来。这种“少即是多”的理念,对于想要快速掌握自动控制基础知识的学习者来说,无疑是极大的福音。书中的内容设计,非常注重循序渐进。它不会在一个章节中突然抛出许多新概念,而是将复杂的知识分解成一个个小的、易于理解的模块,然后逐一进行讲解。比如,在讲解传递函数时,作者先从卷积积分的概念入手,解释了线性时不变系统输入输出之间的关系,然后才引出传递函数的概念,并说明它如何简化了系统的分析过程。这种层层递进的学习方式,让我能够稳扎稳打地前进,而不会感到迷失。我对书中关于系统稳定性分析的讲解印象尤其深刻。稳定性是自动控制系统中至关重要的一环,一旦系统不稳定,就会导致各种灾难性的后果。本书对稳定性的讨论,从最基础的充要条件,到劳斯判据、根轨迹法、奈奎斯特判据等各种判据,都做了详尽的阐述。尤其是对根轨迹法的介绍,作者通过大量的图例,展示了系统参数变化时,闭环极点在s平面上的移动轨迹,这使得我对系统稳定性如何随参数变化而改变有了非常直观的认识。此外,书中对控制器设计部分的讲解也十分实用。PID控制器作为最经典的控制器之一,其原理、参数整定方法以及各种整定技巧,都被清晰地呈现在读者面前。通过书中提供的具体算例,我学会了如何根据系统的实际性能要求,来调整PID控制器的比例、积分和微分参数,从而获得满意的控制效果。这本书的语言风格也十分平实,没有过多的学术术语堆砌,使得即使是初学者也能轻松阅读,并理解其中的含义。

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这本书如同一位循循善诱的老师,用最平实易懂的语言,将自动控制这门原本略显晦涩的学科,一点点展现在我面前。初识自动控制,我曾被那些复杂的数学模型和抽象的概念所困扰,仿佛置身于迷宫之中,找不到方向。然而,《自动控制原理简明教程》却像一盏明灯,照亮了前进的道路。它没有一开始就抛出大量的公式和定理,而是从最基本、最直观的系统概念入手,比如一个简单的热水器恒温器,或者一个机器人手臂的运动。通过这些贴近生活的例子,我逐渐理解了什么是开环系统,什么是闭环系统,以及它们各自的优缺点。书中对反馈机制的讲解尤为精彩,它用生动的比喻,将反馈的力量描绘得淋漓尽致,让我深刻认识到反馈在维持系统稳定、提高系统精度方面所起到的关键作用。当读到稳定性和稳定性判据时,我曾以为自己又会陷入无尽的公式推导,但作者巧妙地引入了根轨迹、奈奎斯特图等图形化分析方法,将抽象的数学语言转化为直观的几何图形,使得原本令人头疼的稳定性问题变得清晰明了。特别是对奈奎斯特判据的解读,作者循序渐进,从概念的提出,到判据的推导,再到实际应用的讲解,每一步都衔接得恰到好处,让我能够一步步地领悟其中的奥秘。更让我惊喜的是,书中还涉及到了系统辨识和PID控制器等进阶内容,并且同样以一种简明扼要的方式呈现。系统辨识部分,让我了解到如何从实验数据中提取系统的数学模型,这对于实际工程应用至关重要。而PID控制器,作为最常用、最经典的控制器之一,书中对其原理、参数整定方法以及常见问题进行了详尽的阐述,并提供了大量的算例,让我能够真正掌握这一强大的工具。这本书的语言风格清新自然,没有过多的学术腔调,读起来没有任何负担,就像在听一位经验丰富的工程师娓娓道来。它不仅仅是一本教科书,更像是一位良师益友,陪伴我走过了从零基础到初步掌握自动控制原理的整个过程。

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