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出版者:

作者:吴宗泽 编

出品人:

页数:1500

译者:

出版时间:2010-5

价格:198.00元

装帧:

isbn号码:9787122072849

丛书系列:

图书标签:

• 机械设计
• 机械工程
• 工程技术
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• 工业设计

现代控制系统：理论、设计与应用 本书全面深入地探讨了现代控制系统的基本原理、分析方法、设计技术及其在工程实践中的广泛应用。它旨在为读者构建一个扎实、系统的控制理论知识体系，并辅以丰富的工程实例，使理论与实践紧密结合。 --- 第一部分：控制系统的基础与建模 第一章：引言与绪论 本章首先界定了“控制系统”的内涵与外延，阐述了自动控制在现代工业、航空航天、生物医学等领域的核心地位和不可替代性。回顾了控制理论的发展历程，从早期的开环控制到现代的反馈控制、智能控制的演变。明确了本书的组织结构和学习目标，引导读者建立对本学科的宏观认识。重点讨论了反馈控制的本质优势——提高精度、增强鲁棒性和抑制外部干扰的能力。 第二章：系统动力学与描述 详细介绍了描述物理系统行为的数学工具。首先从物理系统的基本定律（如牛顿第二定律、基尔霍夫定律）出发，推导出机械系统、电路系统和机电耦合系统的微分方程模型。随后，引入拉普拉斯变换作为求解线性常微分方程的强大工具，解释了如何通过拉普拉斯变换将时域问题转化为频域（s域）的代数问题。深入讲解了传递函数（Transfer Function）的概念、特性及其在单输入单输出（SISO）系统分析中的核心地位。此外，还探讨了系统的框图表示法和信号流图（Mason’s Gain Formula），教授如何简化复杂的系统结构图。 第三章：状态空间方法 作为现代控制理论的基石，本章系统阐述了状态空间表示法（State-Space Representation）。相对于传递函数仅适用于LTI系统且难以处理多输入多输出（MIMO）系统，状态空间法具有更强的普适性。详细讲解了如何将高阶微分方程转化为一组一阶线性常微分方程组，即状态方程。定义了状态变量、输入向量和输出向量。接着，深入探讨了系统的能控性（Controllability）和能观测性（Observability）的数学判据（如秩判据），这是后续状态反馈设计的前提。最后，介绍了李雅普诺夫（Lyapunov）意义下的系统稳定性分析和线性系统的对角化与Jordan标准型的计算。 --- 第二部分：线性系统的时域与频域分析 第四章：时域分析与性能指标 本章专注于在时域内评估和分析系统的动态性能。介绍了标准的输入信号（如单位阶跃、单位脉冲、斜坡输入）。针对单位反馈系统，详细定义了暂态响应指标，包括超调量（Overshoot）、峰值时间（Peak Time）、调整时间（Settling Time）和稳态误差（Steady-State Error）。系统推导了一阶系统和二阶系统的瞬态响应解析解，并分析了阻尼比（$zeta$）和自然频率（$omega_n$）对系统行为的决定性影响。重点讲解了如何通过稳态误差系数（$K_p, K_v, K_a$）来量化系统在不同类型输入下的长期跟踪能力。 第五章：根轨迹法（Root Locus） 根轨迹法是一种直观的、用于分析和设计反馈系统补偿器参数的强大图解方法。本章详细阐述了根轨迹的绘制规则，包括起折点、汇点、渐近线特性以及虚轴穿越点。通过分析根轨迹随开环增益 $K$ 变化时闭环极点在s平面上的移动路径，读者可以直观地理解系统稳定性和动态性能随增益变化的趋势。最后，展示了如何利用根轨迹法确定所需的增益范围以满足特定的性能要求。 第六章：频率响应分析 频率响应分析提供了一种在频域内评估系统性能的替代或补充方法。本章首先讲解了如何通过将 $s=jomega$ 代入传递函数来获得系统的频率响应函数。随后，系统介绍了Bode图（伯德图）的绘制方法，包括如何利用对数坐标快速估算幅频特性和相频特性。重点分析了Bode图在判断系统相对稳定性中的应用，引入了相位裕度（PM）和增益裕度（GM）的概念及其工程意义。此外，深入探讨了Nyquist图（奈奎斯特图）及其奈奎斯特稳定判据，该判据在分析非最小相位系统和存在纯延迟环节的系统时尤为重要。 --- 第三部分：现代控制系统的设计与补偿 第七章：PID 控制器设计与整定 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。本章系统介绍了P、I、D三项的物理意义及其对系统动态特性的独立贡献。详细对比了Ziegler-Nichols（经典整定法）、IMC（内部模型控制）等多种PID参数整定方法，并结合实际的化工和机械过程案例，指导读者如何根据系统模型或实验数据选择合适的控制参数。 第八章：根轨迹法补偿设计 在根轨迹分析的基础上，本章重点讲解如何设计串联补偿器（Lead/Lag Compensators）以修正系统性能。详细推导了超前（Lead）和滞后（Lag）控制器的传递函数，并阐述了它们在s平面上的极点零点配置如何影响根轨迹的形状，从而实现对相位裕度和带宽的精确控制。通过具体的实例，演示了如何通过设计补偿器来提升系统的稳态误差性能和暂态响应速度。 第九章：状态反馈与观测器设计 基于状态空间理论，本章深入研究了现代控制器的设计。重点介绍了极点配置（Pole Placement）技术，即如何通过设计一个合适的状态反馈增益矩阵 $K$ 来将闭环系统的极点放置在s平面上期望的位置，从而实现所需的动态响应。由于状态变量通常无法直接测量，本章接着详细讨论了状态观测器（State Observer）的设计，特别是Luenberger观测器，它能够利用系统的输入和输出信号来估计不可测量的状态。最后，整合了状态反馈与观测器，形成了完整的状态反馈控制律。 第十章：最优控制与鲁棒性基础 本章引入了更先进的控制设计理念。首先，详细介绍了LQR（Linear Quadratic Regulator）最优控制器的设计原理，该方法通过最小化一个二次型性能指标函数（包含状态误差和控制输入的加权）来自动确定最优反馈增益矩阵 $K$。随后，对控制系统的鲁棒性概念进行了初步探讨，简要介绍了H-无穷控制和$mu$综合等处理模型不确定性和外部扰动的先进控制方法的基本思想。 --- 附录 附录A：常用数学公式与变换表 附录B：MATLAB/Simulink 在控制系统分析与设计中的应用示例 附录C：经典控制理论与现代控制理论对比分析 本书内容严谨、推导详尽，配有大量的图表和工程实例，是高等院校控制工程、自动化、机械电子工程等专业学生及从事相关领域的工程师案头必备的参考书。

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