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出版者:中国科学技术大学出版社

作者:李嗣福

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2001-09-01

价格:28

装帧:

isbn号码:9787312012594

丛书系列:

图书标签:

• 计算机控制
• 自动控制
• 单片机
• PLC
• 嵌入式系统
• 传感器
• 执行器
• 控制系统
• 工业控制
• 自动化

《计算机控制基础》是一本深入浅出介绍计算机控制理论与实践的著作。本书以严谨的学术态度，结合丰富的工程实例，为读者勾勒出一幅全面而系统的计算机控制技术图景。 第一部分：理论基石 本部分着重于构建坚实的理论基础，为后续的学习和实践奠定不可或缺的根基。 引言与发展脉络： 开篇将带领读者回顾自动控制理论的发展历程，从经典的模拟控制理论，逐步过渡到数字控制的兴起及其在现代工业自动化中的核心地位。我们将探讨计算机控制之所以成为当今自动化领域不可或缺的关键技术的原因，解析其相较于传统模拟控制所带来的优势，如灵活性、精度、易于实现复杂算法以及强大的数据处理能力。 信号与系统： 深入分析离散时间信号和系统的基本概念。我们将详细阐述采样定理，理解模拟信号如何被转化为离散的数字信号，以及采样频率对系统性能的影响。同时，对线性时不变（LTI）离散时间系统的基本特性进行深入剖析，介绍其输入输出关系，并引入Z变换作为分析和设计离散时间系统的强大工具。读者将学习如何利用Z变换求解差分方程，分析系统的稳定性，并理解系统函数的物理意义。 状态空间方法： 状态空间方法作为一种更全面、更强大的系统描述和分析工具，将在本章得到详细阐述。我们将介绍离散时间系统的状态空间表示法，包括状态方程和输出方程。重点讲解状态向量的概念及其物理意义，以及如何从系统模型推导出状态空间方程。随后，我们将深入探讨状态空间方法的优势，如能够处理多输入多输出（MIMO）系统，并为设计先进的控制器（如极点配置、状态反馈）提供理论依据。 第二部分：核心技术与方法 这一部分将聚焦于计算机控制系统的核心组成部分和关键设计方法。 数字控制器设计： 本章是本书的重中之重，将系统性地介绍各种数字控制器的设计方法。 PID 控制器： 作为最经典、最广泛应用的数字控制器，PID（比例-积分-微分）控制器将得到详尽的讲解。我们将深入剖析比例、积分和微分三个分量的作用机理，以及它们如何共同作用以达到控制目标。详细介绍PID参数整定（Tuning）的各种方法，包括经验整定法、Ziegler-Nichols 方法，以及更先进的基于模型的整定方法，并结合工程实践中的调参技巧和注意事项。 零极点配置法： 基于系统函数，我们将介绍如何通过在Z平面上配置控制器的零极点来实现期望的系统动态性能，例如改善响应速度、减小超调量以及保证稳定性。 状态反馈控制器设计： 结合第一部分的状态空间方法，本章将详细介绍状态反馈控制器的设计原理，即如何根据系统的状态变量来设计反馈增益矩阵，以实现期望的系统性能，例如极点配置。我们将探讨全状态反馈和部分状态反馈的设计方法。 观测器设计： 在许多实际系统中，并非所有状态变量都能被直接测量。本章将介绍状态观测器的设计，包括最小阶观测器和标准观测器的原理，以及如何利用观测器来估计不可测量的状态变量，从而实现基于状态反馈的控制。 系统辨识： 在实际工程应用中，精确的系统模型往往难以获得。本章将介绍系统辨识的基本概念和常用方法。我们将探讨如何从实验数据中建立系统的动态模型，包括脉冲响应法、阶跃响应法等时间域辨识方法，以及基于频率响应的辨识方法。还将介绍一些参数估计技术，如最小二乘法及其改进算法。 采样与量化： 深入探讨模拟信号到数字信号转换过程中至关重要的两个环节。我们将详细分析采样过程的原理、误差来源（如混叠）以及如何选择合适的采样频率以避免信息损失。随后，将深入讲解量化过程，分析量化误差，以及不同量化精度对控制系统性能的影响。 第三部分：实践应用与进阶主题 本部分将视角转向实际应用，并引入一些更高级的控制技术。 数字控制系统的实现： 探讨如何将设计的数字控制器在实际硬件平台上实现。我们将介绍数字信号处理器（DSP）和微控制器（MCU）在计算机控制系统中的应用，以及如何进行嵌入式软件的开发和调试。还将讨论实时操作系统（RTOS）在多任务、实时性要求高的控制系统中的作用。 现代控制理论基础： 介绍一些现代控制理论的核心概念，为读者后续深入学习打下基础。我们将触及最优控制（如LQR）、鲁棒控制以及自适应控制等领域的基本思想，简要介绍它们在解决复杂控制问题中的优势和应用场景。 计算机控制系统的仿真与测试： 仿真和测试是验证控制系统性能、发现潜在问题的关键环节。本章将介绍如何利用 MATLAB/Simulink 等仿真工具构建数字控制系统模型，并进行各种工况下的仿真分析。同时，还将讨论实际系统测试的流程、方法和注意事项。 实例分析： 通过多个不同领域的典型工程实例，如电机伺服系统、温度控制系统、机器人控制等，将前文中介绍的理论知识和设计方法融会贯通，展示计算机控制技术在解决实际工程问题中的强大能力和实用价值。每个实例都将包含系统建模、控制器设计、仿真验证以及实现过程的详细讲解。 本书致力于为读者提供一个扎实、全面且实用的计算机控制知识体系，使其能够理解、设计并实现各种类型的计算机控制系统，从而在现代工业自动化、机器人、航空航天等领域有所作为。

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说实话，我对技术书籍的阅读往往是带着一种“找茬”的心态，因为很多教材在深入到高阶应用时，常常在**算法的工程实现细节**上含糊其辞，导致读者在实际编程时无从下手。然而，这本书在这方面做得极为出色。它不仅仅罗列了数学模型，更深入地探讨了如何将这些模型映射到具体的嵌入式系统或PLC架构中。我印象最深的是关于**数字滤波器的选型与性能对比**的那一节，作者不仅对比了FIR和IIR的优缺点，还给出了不同采样率下，计算复杂度与抑制频率带宽之间的帕累托最优解分析。这种严谨的工程思维贯穿始终，比如在讲解状态观测器（如卡尔曼滤波的简化版本）时，它没有回避有限字长对收敛速度的影响，而是直接给出了在固定精度下如何调整协方差矩阵的经验法则。对于希望从理论跨越到实际产品开发的人来说，这种“知其然，更知其所以然”的讲解方式，是极其宝贵的。

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这本书的叙事风格着实让人感到意外，它不像那种板着脸的传统教材，反而有一种**导师式的循循善诱**。作者在介绍新概念时，总会先设置一个大家都能理解的日常场景作为引子，比如用家用恒温器或汽车巡航系统来比喻反馈回路的原理，这极大地降低了初次接触自动控制理论的门槛。语言上，虽然专业术语不可避免，但作者会用非常精炼且富有逻辑性的中文来解释其背后的物理意义，避免了那种为了炫技而堆砌晦涩难懂的复合从句。例如，在解释“系统极点与零点”对瞬态响应的影响时，作者采用了一种非常形象的比喻，将系统比作一个“记忆装置”，不同极点决定了系统“遗忘”旧信息的速度和方式。这种清晰的逻辑流和人性化的解释，使得即便是自学这门学科的读者，也能保持较高的学习兴趣和对复杂概念的持久记忆。

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这本书的装帧设计真是让人眼前一亮，封面采用了一种低饱和度的深蓝色调，搭配着简洁的白色和少许亮眼的橙色作为点缀，整体风格非常现代、专业，却又不失一丝沉稳和学术气息。我特别喜欢封面上那个抽象的、类似电路图的图案，它很巧妙地暗示了内容的核心——控制系统，但又不会过于死板。纸张的质感也做得很好，摸起来有一种细腻的哑光感，翻阅时不会发出刺耳的声响，阅读体验非常舒适。尤其是内页的排版，字体选择适中，行间距把握得当，大量的公式和图表被清晰地划分在不同的模块中，使得复杂的理论知识在视觉上得到了很好的梳理，不会让初学者在面对海量信息时感到压迫。书脊的装订也非常牢固，即使经常需要查阅和摊平阅读，也不用担心书页会松脱，这对于一本需要反复研读的技术教材来说，无疑是一个重要的加分项。总之，从拿到手的瞬间，就能感受到出版方在细节上的用心，这绝对是一本值得放在书架上细细品味的工具书。

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我购买这本书的主要目的是想系统梳理一下**多变量控制系统**的前沿进展，特别是针对强耦合、大延迟环节的处理方法。这本书的后半部分明显提升了难度和广度，不再局限于单回路或串级控制。它对**先进的解耦策略**，如动态矩阵控制（DMC）和模型预测控制（MPC）的数学基础做了非常详尽的介绍。我特别欣赏作者在讲解MPC时，不仅给出了基本的滚动优化公式，还花了大量篇幅讨论了约束条件的有效处理和优化求解器的选择对实时性的影响，这完全抓住了现代复杂工业过程控制的核心痛点。它将理论的抽象性与工业实践的约束性完美地结合起来，展示了如何通过合理的模型假设和计算资源的分配，实现对复杂系统的精确、稳定和经济的运行。这本书显然是为那些已经掌握了基础，渴望触及现代工业控制“皇冠上的明珠”的工程师和研究生准备的深度资源。

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我是在参加一个关于自动化生产线升级的研讨会时，偶然听一位资深工程师推荐这本书的，他当时强调的重点是其在**实时系统响应优化**方面的独到见解。我特地找来翻阅后发现，书中对于离散时间系统和连续时间系统之间的转换处理，尤其是在Z变换和拉普拉斯变换的结合应用部分，给出了远超我预期的深度分析。作者并没有停留在传统的理论推导上，而是大量引入了实际工业案例中遇到的非线性补偿和快速迭代算法的构建过程。特别是关于**模糊逻辑控制**在应对传感器噪声干扰时的鲁棒性设计章节，里面详细拆解了专家规则的建立流程和参数的敏感度分析，这一点对于我目前正在负责的精密运动平台控制项目来说，简直是教科书般的指导。它教会我的不是如何简单地套用PID，而是如何从系统本质出发，设计出更具适应性和前瞻性的控制策略，这对于提升系统稳定性和能效比至关重要。

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