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出版者:北京世图

作者:D. K. Anand, R.B. Zmood

出品人:

页数:730

译者:

出版时间:2000-6

价格:120.00元

装帧:

isbn号码:9787506247344

丛书系列:

图书标签:

• 控制系统
• 自动控制
• 控制理论
• 系统工程
• 电气工程
• 自动化
• 经典控制
• 现代控制
• MATLAB
• Simulink

现代控制理论与工程实践 本书导读：系统思维、建模与优化 本书旨在为读者提供一个全面且深入的现代控制理论框架，并紧密结合工程实践中的关键应用。我们致力于构建一个坚实的数学基础，同时强调理论在解决真实世界复杂系统问题时的有效性和可操作性。 第一部分：系统基础与时域分析 本部分将系统地介绍控制系统的基本概念、数学描述方法，并聚焦于时域分析的核心技术。 第一章：控制系统的基本要素与分类 深入探讨控制系统的定义、历史沿革及其在现代工程中的不可替代性。我们将区分开环与闭环控制系统的结构、优缺点及适用场景。重点解析反馈机制在提高系统鲁棒性、精度和动态性能方面的作用。此外，还将引入系统分解与集成思维，为后续的复杂系统分析奠定基础。 第二章：系统建模的基石：微分方程与传递函数 本章详细阐述如何将物理系统（如机械、电路、热力学系统）转化为标准的数学模型。重点讲解线性常系数微分方程（LCCDE）的建立过程。随后，引入拉普拉斯变换作为强大的分析工具，推导出系统的传递函数表示。讨论传递函数在描述系统输入-输出关系中的优势与局限性，并涵盖了如何通过框图代数进行系统的简化和等效变换。 第三章：时域性能指标与暂态响应分析 系统性能是衡量控制系统好坏的核心标准。本章详细剖析了阶跃输入下的系统时域指标，包括超调量（$M_p$）、调节时间（$t_s$）、峰值时间（$t_p$）以及稳态误差。通过一阶、二阶系统的深入分析，揭示极点位置与系统瞬态响应之间的深刻联系。我们将运用时间常数和阻尼比等关键参数，直观地理解系统响应的快慢与稳定性。 第四章：系统的稳定性和误差分析 稳定性是控制系统的生命线。本章从理论和工程应用两个层面，系统地探讨系统的稳定性判据。详细介绍李雅普诺夫稳定性理论的基本思想，并重点讲解在复频域（s域）中应用最为广泛的Routh-Hurwitz 判据，用于判断系统闭环多项式的根的位置，从而判断系统的渐近稳定性或边界稳定性。同时，引入稳态误差分析，通过引入积分环节，计算系统在单位阶跃、单位斜坡输入下的稳态误差系数 ($K_p, K_v, K_a$)，并讲解如何通过增加前馈或反馈补偿来消除或减小稳态误差。 第二部分：频域分析与系统设计 本部分将视角从时间轴转移到频率域，掌握利用频率响应特性来分析系统性能和进行系统补偿设计的强大工具。 第五章：频率响应与波德图分析 介绍傅里叶变换在稳态分析中的作用。重点阐述如何通过系统传递函数的虚部和实部来绘制频率响应曲线。本书将花费大量篇幅，详细讲解波德图（Bode Plot）的绘制技巧、对数坐标轴的物理意义，以及如何利用波德图快速估算系统的带宽、截止频率和相位裕度。 第六章：根轨迹法与动态性能调优 根轨迹法是经典控制设计中最直观的工具之一。本章系统讲解根轨迹的绘制规则，包括起点、终点、渐近线、实轴上的轨迹以及虚轴穿越点。通过分析根轨迹随开环增益 $K$ 变化的轨迹，直观地指导设计者如何选择合适的增益以满足特定的动态性能要求（如满足特定的阻尼比或自然频率）。 第七章：频率响应稳定性裕度与奈奎斯特判据 在频域中评估稳定性的核心工具是奈奎斯特稳定判据。本章详细解释复平面上奈奎斯特图的绘制方法，以及如何利用判据中的“围线原理”来确定闭环系统的稳定性，特别是对于存在右半平面开环零点或极点的情况。着重讲解相位裕度 ($ ext{PM}$) 和增益裕度 ($ ext{GM}$) 这两个关键的频域稳定性指标，它们直接量化了系统对模型不确定性的抵抗能力。 第八章：经典补偿器的设计与实现 本章侧重于设计补偿环节以改善系统的性能和稳定性。详细介绍三种核心补偿器： 1. 比例-积分-微分 (PID) 控制器：探讨 P、I、D 各环节对系统性能的独立影响，并结合工程经验给出初步的参数整定方法（如Ziegler-Nichols 方法的原理）。 2. 超前（Lead）补偿器：如何利用它来提高系统的相位裕度和瞬态响应速度。 3. 滞后（Lag）补偿器：如何利用它来改善系统的稳态精度而对瞬态性能影响较小。 本书提供了一套系统的、基于波德图或根轨迹法的补偿器参数设计流程，确保设计结果满足预定的指标要求。 第三部分：现代控制理论与状态空间方法 本部分过渡到更通用的现代控制理论框架，即状态空间表示法，它适用于多输入多输出（MIMO）系统，并为先进控制算法奠定基础。 第九章：状态空间表示法及其等效性 系统地介绍如何将高阶微分方程或传递函数模型转化为状态空间方程 ($dot{mathbf{x}} = mathbf{Ax} + mathbf{Bu}, mathbf{y} = mathbf{Cx} + mathbf{Du}$)。重点讨论相似变换，证明了不同状态变量选择下模型结构的变化与物理意义的不变性。分析系统的能控性 (Controllability) 和能观测性 (Observability) 矩阵，这是现代控制设计的前提条件。 第十章：可控性、可观性与极点配置 深入探讨如何利用状态反馈进行系统设计。讲解极点配置 (Pole Placement) 技术，即通过设计状态反馈增益 $mathbf{K}$，使得闭环系统的所有极点可以被任意配置到复平面的期望位置（前提是系统必须是完全可控的）。介绍Ackermann 公式作为实现极点配置的一种系统化方法。 第十一章：观测器设计与状态估计 在许多实际应用中，系统的所有状态变量无法直接测量。本章讲解如何基于系统的数学模型和可观测性，设计状态观测器（如 Luenberger 观测器）来实时估计系统的状态向量。分析观测器极点与系统极点的分离性，以及如何确保估计误差能够快速收敛到零。 第十二章：现代控制系统的性能与局限性 本章对现代控制方法进行总结和展望。讨论线性二次型调节器（LQR）的基本思想——以优化二次型性能指标为目标来设计最优反馈增益，其优势在于能同时考虑暂态性能和控制能量消耗。最后，对比和总结经典控制（频域）与现代控制（时域状态空间）方法的适用范围、计算复杂性与设计哲学的差异。 --- 本书特色： 1. 理论与实践的有机结合： 每章理论推导后紧跟具体的工程实例分析，例如电机速度控制、自动巡航系统（ACC）的简化模型分析等。 2. 注重数学严谨性： 在确保读者理解核心概念的同时，对关键定理和证明过程保持必要的严谨性。 3. 多角度分析： 贯穿时域、频域、根轨迹三大分析视角，帮助读者建立对系统动态特性的多维理解。 4. 工程直觉培养： 强调参数调整的物理意义，而非单纯的公式套用，旨在培养工程师的系统优化直觉。

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