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出版者:Academic Press

作者:M. Sami Fadali

出品人:

页数:552

译者:

出版时间:2009-2-15

价格:705.00元

装帧:

isbn号码:9780123744982

丛书系列:

图书标签:

• 工程
• 数字控制
• 控制工程
• 控制系统
• 系统分析
• 系统设计
• MATLAB
• Simulink
• 现代控制理论
• 工程数学
• 自动控制

《数字控制工程：分析与设计》是一本致力于深入探讨现代数字控制系统原理、分析方法以及实际设计技术的权威性著作。本书面向自动化、电气工程、机械工程、航空航天以及其他相关领域的学生、研究人员和工程师，旨在为读者构建扎实理论基础，并提供解决复杂工程问题的实用工具。 本书的编排结构清晰，从基础概念逐步深入到高级主题，确保读者能够循序渐进地掌握数字控制工程的核心内容。 第一部分：数字控制系统的基础 本部分将为读者奠定坚实的理论基础，介绍数字控制系统的基本构成和工作原理。 采样与量化： 详细阐述连续时间信号如何通过采样器转换为离散时间信号，以及量化过程对信号精度的影响。介绍奈奎斯特-香农采样定理，理解采样频率选择的关键性。 Z变换及其性质： 深入讲解Z变换作为离散时间信号和系统分析的有力工具。详细介绍Z变换的定义、逆Z变换的方法，以及各种重要的Z变换性质，如线性、时移、卷积等，为后续系统分析奠定基础。 离散时间系统建模： 学习如何使用传递函数、脉冲响应以及状态空间方程等多种数学模型来描述离散时间系统的动态行为。重点介绍脉冲不变法、后向差分法等从连续系统模型到离散系统模型的转换方法。 单位脉冲响应与稳定性： 分析系统的单位脉冲响应如何反映其瞬态和稳态特性。深入研究离散时间系统的稳定性判据，包括Z平面上的单位圆位置与极点分布的关系，以及 Jury 稳定性判据等。 第二部分：数字控制系统的分析 本部分将聚焦于对数字控制系统性能的深入分析，包括时域和频域的响应特性。 时域响应分析： 学习如何通过分析系统的单位阶跃响应、单位斜坡响应等来评估系统的瞬态性能（如超调量、上升时间、调节时间）和稳态误差。介绍根轨迹法在分析系统性能和设计控制器中的应用。 频率响应分析： 深入理解数字控制系统的频率响应特性，学习如何绘制Bode图、Nyquist图和Nichols图来分析系统的稳定裕度（增益裕度和相位裕度）和频率特性。 离散系统的状态空间分析： 探索使用状态空间方法来分析数字控制系统的可控性、可观测性以及稳定性。介绍状态反馈控制的设计原理，以及如何利用状态观测器来估计系统状态。 数字控制器设计方法： 详细介绍多种经典的数字控制器设计方法，包括PID控制器（位置型、增量型）在离散域的实现和优化，以及超前、滞后、超前-滞后补偿器的设计原则，旨在改善系统的动态性能和稳定性。 第三部分：数字控制系统的设计与实现 本部分将进一步拓展数字控制系统的设计技术，并讨论实际应用中的考虑因素。 现代控制理论方法： 引入基于状态空间方法的现代控制技术，如极点配置（状态反馈）、线性二次调节器（LQR）等，这些方法能够根据系统性能指标精确设计控制器，并实现最优控制。 数字控制器设计进阶： 探索更先进的控制器设计方法，例如模型预测控制（MPC）的基本原理，以及它在处理约束条件和多变量系统方面的优势。 采样率选择与影响： 详细讨论采样率对系统性能、稳定性和控制器设计的影响，以及如何根据实际需求和理论限制来选择合适的采样频率。 离散化技术与模型近似： 深入比较不同的离散化方法，并探讨在模型简化和近似过程中可能遇到的问题，以及如何处理。 实际应用中的考虑： 关注实际数字控制系统设计中的一些重要工程问题，例如量化误差的影响、计算延迟、实际执行器的非线性特性、噪声的抑制以及系统鲁棒性设计等。 本书的特点在于理论的严谨性与工程实践的紧密结合。每个概念的提出都配有清晰的推导和详细的解释，并辅以大量具体的例题，帮助读者理解抽象的数学概念。此外，本书还强调了使用计算工具（如MATLAB/Simulink）进行系统分析和控制器设计的重要性，并提供了相应的应用指导。通过阅读本书，读者将能够熟练掌握数字控制系统的分析与设计方法，从而在各种工程应用中实现高效、稳定和可靠的控制。

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总而言之，这本书给我的整体印象是“严谨而不失灵活性”。它在处理数字控制这一跨越连续和离散边界的学科时，展现出一种罕见的平衡感。一方面，它对连续时间系统理论（如经典控制和现代控制）的衔接处理得天衣无缝，确保了读者不会因为突然进入离散世界而感到迷失；另一方面，它又毫不避讳地深入探讨了数字系统特有的挑战，比如有限字长效应、时钟抖动以及基于数值方法的优化算法。阅读全书，我感觉自己像是在一位经验丰富的老工程师的指导下，从底层原理开始，一步步搭建起一个可以信赖的、能够实际运行的数字控制系统模型。它不是一本用来快速浏览的入门读物，而是一本需要细嚼慢咽、并时常需要对照实际工作或实验去验证的工具书。对于任何希望在嵌入式控制、实时系统或高性能伺服领域有深入发展的工程师和研究生来说，这本书的价值是毋庸置疑的，它提供了一个坚实的理论基石和丰富的设计工具箱。

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从教学工具的角度来看，这本书的习题集设计得相当有技巧。它不是简单地重复课本中的概念，而是设置了不同梯度的挑战。初级的习题主要用于巩固基本概念的计算，比如Z变换的求解、离散化参数的确定；而中高级的题目则明显偏向于综合分析和设计。我尤其欣赏那些要求学生“证明”或“解释为什么”的题目，这类题目迫使读者不仅仅是套用公式，而是要去深究其背后的控制理论本质。例如，有一道题目要求分析一个二阶系统在不同量化级别下闭环带宽的变化趋势，这实际上是在考查学生对数字化对系统动态性能影响的定性与定量分析能力。对于讲师而言，这本书提供了丰富的素材来组织课程的深度和广度；对于自学者而言，这些习题是检验自己是否真正掌握了“分析与设计”精髓的试金石。这种注重思维训练而非死记硬背的习题设置，是衡量一本优秀工程教材的重要标准。

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我对这本书的兴趣点主要集中在它后半部分关于控制器设计方法的介绍上。市面上很多教材在讲极点配置和状态反馈时，往往只是给出公式，但这本书的特别之处在于，它深入探讨了在有限精度计算环境下，如何保证控制器性能的鲁棒性。作者用了一个专门的篇幅讨论了量化误差和计算延迟对实际数字控制器实现的影响，这一点在纯理论书籍中是很少见的。举个例子，书中对“零极点对消”的讨论就非常细致，它没有简单地告诉你零极点对消是消除不必要的动态，而是从有限字长精度出发，分析了这种对消在实际DSP（数字信号处理器）上可能带来的灾难性后果。此外，关于观测器的设计部分，比如卡尔曼滤波器的介绍，也写得非常透彻，不仅给出了标准形式，还结合了噪声模型的建立过程，这让我对如何为一个存在不确定性的物理系统构建一个可靠的状态估计器有了全新的认识。这本书的深度，已经超越了一般本科高年级教材的范畴，更接近于一本硕士阶段的参考书。

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这本《数字控制工程：分析与设计》的精装版，拿到手就感觉分量十足，装帧设计沉稳大气，很有教科书的范儿。我刚开始翻阅时，最直观的感受是它对基础理论的梳理非常扎实，不像有些著作上来就抛出复杂的矩阵和变换，而是循序渐进地将离散化、Z变换等核心概念娓娓道来。特别是关于状态空间表示法在数字域中的处理，作者似乎花了不少笔墨去解释其物理意义，而不是仅仅停留在数学推导层面。我记得有一章节专门讲解了采样对系统稳定性的影响，通过几个经典的时域算例，清晰地展示了采样率不足时可能出现的振荡和失稳现象，这对我理解实际工程中“如何选择合适的采样周期”提供了极大的帮助。阅读过程中，我发现书中很多例题的背景都紧密贴合工业应用，比如电机控制、过程控制中的PID改进算法等，这使得抽象的理论知识立刻有了落地的感觉，不再是空中楼阁。整本书的逻辑推进严密，即便是像我这样对高级控制理论有过初步接触的读者，也能从中找到新的理解维度。

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这本书的排版和图示处理方式，真的让我感到非常舒服，这对于阅读一本厚重的工程技术书籍来说至关重要。很多理工科的书籍，图表密密麻麻，线条交错复杂，看久了眼睛很累，思路也容易被打断。但这本《数字控制工程：分析与设计》在这一点上做得非常出色。它的关键信号流程图和系统结构图，通常采用清晰的分层结构，关键的反馈回路和信号流向都有明确的颜色或粗细区分，即使用户是第一次接触这个特定的控制结构，也能迅速抓住核心逻辑。比如，在讲解离散时间滑模控制（DTSMC）时，作者绘制的相平面图和轨迹演化图，简洁而富有信息量，完美地展示了滑模控制器的“抖振”特性以及如何通过设计切换函数来抑制它。更值得一提的是，书中很多复杂的数学推导，都会被配上一段简洁的文字总结，解释这段公式的物理意义或工程含义，这大大减少了读者在消化纯数学符号时的认知负担，使得阅读过程中的连贯性得到了很好的保持。

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国外的数学形式和国内有那么多差距吗。。

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