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出版者:

作者:Koenig, David M.

出品人:

页数:508

译者:

出版时间:2009-1

价格:$ 112.94

装帧:

isbn号码:9780071606134

丛书系列:

图书标签:

• 控制工程
• 自动控制
• 系统控制
• 过程控制
• 控制系统设计
• 反馈控制
• MATLAB控制
• 工业控制
• 控制理论
• 机器人控制

《现代控制系统设计：理论与实践》 内容概述 《现代控制系统设计：理论与实践》是一本旨在为读者提供全面、深入的控制工程知识体系的著作。本书着重于现代控制理论的核心概念，并辅以大量工程实践中的应用案例，力求在理论的严谨性与工程的实用性之间找到最佳平衡点。全书共分为十八章，涵盖了从基础的系统建模到先进的自适应控制和鲁棒控制等多个层面，旨在帮助读者建立起扎实的理论基础，并掌握将理论应用于解决实际工程问题的能力。 第一部分：控制系统基础与建模 第一章：控制系统概述与基本概念 本章将首先介绍控制系统的定义、重要性及其在现代工业和社会发展中的广泛应用。我们将深入探讨反馈控制与开环控制的区别，分析其各自的优缺点。同时，本章还将引入诸如系统响应、稳定性、精度、速度等关键性能指标，为后续内容的学习奠定基础。读者将了解什么是控制器、被控对象、传感器、执行器等基本组成部分，以及它们在控制系统中的作用。 第二章：线性时不变（LTI）系统的时域分析 本章将聚焦于描述和分析线性时不变（LTI）系统的基本方法。我们将详细介绍系统微分方程的建立，以及如何通过拉普拉斯变换将其转化为传递函数形式。传递函数是分析LTI系统动态特性的强大工具，本章将引导读者掌握其求解和意义。此外，我们还将深入研究系统的瞬态响应，包括单位阶跃响应、单位脉冲响应和单位斜坡响应。通过分析这些响应曲线，读者可以直观地理解系统的阻尼比、自然频率、时间常数等参数对系统性能的影响，从而学会初步判断系统的稳定性和响应速度。 第三章：线性时不变（LTI）系统的频域分析 在时域分析的基础上，本章将转向频域分析方法，这对于理解系统在不同频率下的行为至关重要。我们将介绍频率响应的概念，并通过波特图、奈奎斯特图和尼科尔斯图等图形工具来展示系统的幅频和相频特性。频域分析能够直观地揭示系统的带宽、截止频率、增益裕度和相位裕度等关键指标，这些指标对于评估系统的稳定性和抗干扰能力具有重要意义。本章还将探讨如何利用频域方法来预测和诊断系统的性能问题。 第四章：系统模型辨识 在实际工程中，我们往往难以精确地获得被控对象的数学模型。本章将介绍系统模型辨识的基本原理和常用方法。我们将从输入输出数据出发，学习如何选择合适的模型结构（如AR、MA、ARX、ARMAX、OE、BJ模型等），并采用最小二乘法、最大似然法等算法来估计模型参数。本章还将讨论模型辨识的精度评估以及如何处理噪声数据，以获得更可靠的系统模型。 第五章：状态空间方法 本章将引入更为强大的现代控制理论工具——状态空间方法。我们将学习如何将高阶微分方程表示为一组一阶线性微分方程组成的矩阵形式（状态方程），并引入输出方程来描述系统的输出与状态之间的关系。状态空间方法能够更全面地描述系统的内部动态，特别适用于多输入多输出（MIMO）系统以及非线性系统的分析。本章将重点介绍状态向量、状态方程、输出方程的含义，以及如何从传递函数形式转换到状态空间表示，反之亦然。 第二部分：经典控制理论与控制器设计 第六章：反馈控制器的基本类型 本章将详细介绍几种最基本且应用最广泛的反馈控制器类型：比例（P）控制器、比例-积分（PI）控制器和比例-积分-微分（PID）控制器。我们将深入分析每种控制器的工作原理，以及它们如何通过比例增益、积分增益和微分增益的调整来改善系统的动态性能。本章还将探讨不同控制器组合的优缺点，以及在实际应用中选择和调整这些控制器的策略。 第七章：PID控制器的整定方法 PID控制器以其简单易用和性能优越而闻名，但其整定（即调整P、I、D参数）过程至关重要。本章将介绍几种经典的PID控制器整定方法，包括经验方法（如试凑法）、理论方法（如Ziegler-Nichols方法）以及基于模型的整定方法。我们将详细阐述每种方法的步骤、适用范围和局限性，并通过实例演示如何有效地获得一组性能良好的PID参数。 第八章：根轨迹分析与设计 根轨迹方法是一种直观的分析和设计线性控制系统稳定性以及动态响应的图形化工具。本章将详细介绍根轨迹的绘制方法，包括确定根轨迹的起点、终点、渐近线、分离点和虚轴交点等关键特征。通过观察根轨迹的变化，我们可以预测闭环系统极点的位置，从而评估系统稳定性的变化以及瞬态响应的特性。本章还将探讨如何利用根轨迹来设计控制器，以满足特定的性能要求。 第九章：频率响应法设计控制器 频率响应法是另一种强大的控制系统设计工具，尤其适用于难以获得精确模型或需要考虑系统鲁棒性的情况。本章将介绍如何利用波特图、奈奎斯特图等工具来分析系统的开环频率响应，并在此基础上设计补偿器（如超前补偿器、滞后补偿器、超前-滞后补偿器）。我们将详细讲解如何通过调整补偿器的参数来改善系统的相位裕度和增益裕度，从而提高系统的稳定性和动态性能。 第十章：可控性与可观性 本章将介绍控制系统设计中的两个重要概念：可控性与可观性。可控性是指系统状态向量是否能够被输入信号完全控制，而可观性是指能否从系统的输出信号中完全推断出系统的内部状态。我们将通过状态空间矩阵来判断系统的可控性和可观性，并解释这两个概念对于系统分析和控制器设计的重要性。例如，不可控系统意味着部分状态无法被控制，而不可观系统意味着我们无法准确测量或估计某些内部状态，这将直接影响控制器的设计和实现。 第三部分：现代控制理论与先进控制策略 第十一章：状态反馈控制器设计 本章将深入探讨状态反馈控制器的设计。我们将学习如何利用系统的全部状态向量来设计控制器，以实现期望的闭环系统极点配置。我们将介绍全状态反馈和部分状态反馈的设计方法，并探讨极点配置在提高系统稳定性、响应速度和鲁棒性方面的优势。本章还将介绍状态观测器的设计，用于估计不可测量的状态。 第十二章：最优控制理论 最优控制理论旨在寻找最优的控制输入，使得某个性能指标（代价函数）达到最小或最大。本章将介绍线性二次型调节器（LQR）的设计，这是一种常用的最优控制方法。我们将阐述LQR如何根据系统模型和代价函数来设计最优状态反馈控制器，以在系统性能和控制能量消耗之间取得平衡。本章还将简要介绍其他最优控制的概念，如模型预测控制（MPC）的初步思想。 第十三章：非线性系统的分析与控制 本章将引入非线性系统的概念，并介绍分析和控制非线性系统的一些基本方法。我们将讨论非线性系统的特性，如饱和、死区、滞环等，以及它们对系统行为的影响。本章还将介绍一些常用的非线性控制策略，如线性化方法、反馈线性化、滑模控制等，并探讨它们在实际应用中的优势和挑战。 第十四章：数字控制系统 随着计算机技术的飞速发展，数字控制系统已成为现代控制工程的主流。本章将介绍数字控制系统的基本原理，包括采样、量化和数字控制器设计。我们将学习如何将连续时间系统转换为离散时间系统，以及如何设计数字PID控制器、状态空间控制器等。本章还将讨论数字控制系统中的关键问题，如采样时间的选择、量化误差的影响以及稳定性分析。 第十五章：自适应控制 自适应控制系统能够根据被控对象参数的变化或外部环境的扰动，自动调整控制器的参数，以维持良好的控制性能。本章将介绍自适应控制的基本原理，包括参数估计和控制器调整。我们将探讨几种典型的自适应控制算法，如直接自适应控制、间接自适应控制和基于模型参考的自适应控制（MRAC），并通过实例说明其在处理模型不确定性或时变系统中的应用。 第十六章：鲁棒控制 鲁棒控制旨在设计控制器，使其在模型不确定性或外部扰动存在的情况下，仍然能够保持令人满意的性能和稳定性。本章将介绍鲁棒控制的基本思想，包括不确定性建模和鲁棒性分析。我们将重点介绍H-无穷（H-infinity）控制理论，这是一种强大的鲁棒控制设计方法，能够为系统提供优良的鲁棒性保证。 第十七章：模糊控制与神经网络控制 本章将介绍两种基于人工智能的先进控制策略：模糊控制和神经网络控制。模糊控制利用模糊逻辑推理来模拟人类的模糊思维方式，适用于难以建立精确数学模型的系统。神经网络控制则利用神经网络的学习能力来逼近复杂的非线性映射，实现对未知系统的控制。我们将详细阐述这两种控制方法的原理、设计步骤以及在实际工程中的应用案例。 第十八章：控制系统工程实践与前沿 本书的最后一章将回归工程实践。我们将讨论控制系统设计的整个生命周期，包括需求分析、方案设计、仿真验证、硬件实现、现场调试和维护。本章还将简要介绍一些控制工程的前沿研究方向，如分布式控制系统、智能控制、人机共融控制等，以期为读者提供更广阔的视野和未来学习的指引。 适用读者 《现代控制系统设计：理论与实践》适合于以下读者群体： 高等院校本科生和研究生： 作为控制理论、自动控制原理、现代控制理论等相关课程的教材或参考书。 工程技术人员： 致力于从事自动控制系统设计、开发、调试和优化的工程师，如电气工程、机械工程、航空航天、过程控制等领域的专业人士。 科研人员： 探索和研究控制理论及应用的科研工作者。 对控制工程感兴趣的爱好者： 希望系统学习和掌握控制工程知识的个人。 本书旨在通过理论与实践的结合，帮助读者深入理解控制系统的设计与实现，并能灵活运用所学知识解决实际工程问题。

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