现代控制系统综合与设计 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:中国铁道

作者:肖建

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2000-02-01

价格:26.40元

装帧:

isbn号码:9787113035105

丛书系列:

图书标签:

• 控制系统
• 现代控制
• 综合设计
• 自动控制
• 控制理论
• 系统分析
• MATLAB
• Simulink
• 优化设计
• 工程应用

《现代控制系统综合与设计》内容梗概 《现代控制系统综合与设计》一书，深入探讨了现代控制理论的核心概念、分析方法及工程实践。本书旨在为读者构建一个系统化的知识框架，从理论基础到实际应用，全面掌握现代控制系统的设计与实现。 第一部分：控制系统基础理论 本部分为全书奠定坚实的理论基础，循序渐进地引入关键概念。 第一章 绪论： 控制的定义与分类： 详细阐述了控制系统的基本概念，即通过对系统的输入施加影响，使其输出达到预期目标的过程。介绍了开环控制与闭环控制的区别与联系，开环控制不考虑输出反馈，易受干扰；闭环控制则通过反馈机制，实时修正输出，提高系统的鲁棒性和精度。进一步探讨了线性与非线性控制、连续与离散控制、时不变与时变控制等多种控制系统分类方式，以及它们各自的特点和适用场景。 控制系统的基本组成： 分析了控制器、被控对象、传感器、执行器等核心组成部分的功能与相互关系。强调了各部分协同工作的重要性，以及传感器精度、执行器性能等因素对整个系统表现的影响。 控制理论的发展历程： 回顾了控制理论从早期PID控制到现代状态空间法、最优控制、自适应控制、鲁棒控制等关键发展阶段，展示了控制科学不断演进和深化的过程。 现代控制工程的意义与挑战： 阐述了现代控制理论在工业自动化、航空航天、机器人、生物医学等众多领域的重要应用价值，同时也指出了其在复杂系统建模、非线性特性处理、实时性要求、安全性保障等方面面临的挑战。 第二章 线性定常系统的时域分析： 系统模型与传递函数： 引入了描述线性定常系统动态行为的数学工具——传递函数。详细讲解了如何从微分方程推导传递函数，以及传递函数在系统分析中的重要作用，如表示系统的输入输出关系、系统稳定性判断等。 典型输入信号与系统暂态响应： 分析了阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号等典型输入信号作用下系统的瞬态响应特性。深入研究了上升时间、超调量、调节时间、稳态误差等关键性能指标，并通过这些指标评估系统的动态性能。 稳态分析与性能指标： 侧重于系统在长期运行后趋于稳定的状态。探讨了稳态误差的概念及其产生原因，并提出了减小稳态误差的常用方法。 系统稳定性判据： 重点介绍了Routh-Hurwitz稳定性判据，并阐述了如何利用该判据判断线性定常系统的稳定性。详细解释了稳定、不稳定、临界稳定等概念。 第三章 线性定常系统的复域分析（根轨迹法）： 复域分析的优势： 阐述了将系统变量映射到复平面进行分析的便利性，能够直观地揭示系统动态行为的内在规律。 根轨迹的概念与绘制规则： 详细讲解了根轨迹的概念，即当控制器增益K变化时，闭环系统的极点在s平面上的轨迹。给出了绘制根轨迹的详细步骤和规则，包括渐近线、分离点、虚轴穿越等。 系统稳定性和动态性能的根轨迹判别： 说明了如何通过观察根轨迹在s平面上的位置来判断系统的稳定性，以及根轨迹的形状如何反映系统的动态性能（如阻尼比、固有频率）。 第四章 线性定常系统的频率域分析（伯德图与奈奎斯特图）： 频率响应的概念： 引入了系统在不同频率正弦输入下的输出幅值和相角变化，即频率响应。 伯德图的绘制与分析： 详细讲解了如何绘制开环传递函数的伯德图，包括幅频特性曲线和相频特性曲线。通过伯德图分析系统的增益裕度和相裕度，进而判断系统的相对稳定性，并预测系统的瞬态响应。 奈奎斯特图的绘制与稳定性判据： 介绍了奈奎斯特图的绘制方法，并深入讲解了奈奎斯特稳定判据。该判据能够判断闭环系统的稳定性，且适用于更广泛的系统，包括右半平面奇点。 频率域性能指标： 讨论了带宽、截止频率、幅值裕度、相角裕度等频率域性能指标，并说明了它们与系统动态性能和稳定性的关系。 第二部分：现代控制理论核心 本部分将深入到现代控制理论的精髓，特别是状态空间方法。 第五章 状态空间法： 状态变量的概念与选择： 详细定义了状态变量，即能够完全描述系统当前状态的最小一组变量。探讨了如何选择合适的状态变量来表示系统。 状态方程与输出方程： 引入了描述系统动态行为的状态方程（描述状态变量随时间的变化）和输出方程（描述系统输出与状态变量的关系）。 传递函数与状态空间模型的转换： 讲解了如何在传递函数模型和状态空间模型之间进行相互转换，从而能够使用不同的工具来分析和设计同一系统。 线性定常系统的解： 推导了线性定常系统状态方程的解，以及状态转移矩阵的概念，它描述了系统状态如何从初始时刻演化到任意时刻。 第六章 状态空间法的时域分析： 可控性与可观测性： 定义了系统的可控性（能否通过控制输入使系统状态达到任意值）和可观测性（能否通过测量输出推断出系统的内部状态）。详细讲解了判别可控性和可观测性的充要条件，以及它们在控制器设计中的重要性。 稳定性分析（Lyapunov稳定性理论）： 引入了Lyapunov稳定性理论，这是一种强大的分析非线性系统稳定性的方法。介绍了直接法和间接法，以及Lyapunov方程在判断系统稳定性中的作用。 模态控制： 讲解了如何通过极点配置（Pole Placement）技术，将闭环系统的极点（即系统的固有模态）放置到期望的位置，从而实现对系统动态性能的精确控制。 第七章 最优控制理论： 性能指标函数： 定义了用于衡量系统性能的性能指标函数，例如二次型性能指标。 变分法与Pontryagin最大值原理： 引入了解决最优控制问题的数学工具，包括变分法和Pontryagin最大值原理。 线性二次型调节器（LQR）： 详细讲解了LQR方法，这是一种设计最优控制器的常用方法，它能够根据系统的状态和权衡控制能量与输出误差的性能指标，求出最优的反馈控制律。 第八章 状态观测器设计： 状态观测器的必要性： 阐述了在实际应用中，由于传感器成本、安装限制等原因，可能无法直接测量所有状态变量，此时需要设计状态观测器来估计不可测量状态。 Luenberger观测器： 详细介绍了Luenberger观测器的设计原理和方法。它通过利用系统的输入和输出信息，以及一个与原系统模型相似的方程，来估计系统的状态。 观测器收敛性分析： 分析了观测器误差的收敛性，以及观测器增益的选择对收敛速度的影响。 第三部分：现代控制系统设计与实践 本部分将理论与实践相结合，介绍具体的控制系统设计方法和工程应用。 第九章 PID控制器及其改进： PID控制原理： 详细阐述了比例（P）、积分（I）和微分（D）控制的作用及其组合原理。 PID参数整定方法： 介绍了几种常用的PID参数整定方法，包括试凑法、Ziegler-Nichols法、临界比例法等，并分析了不同方法的优缺点。 PID控制器的改进： 探讨了PID控制器的局限性，并介绍了一些改进方法，如抗积分饱和、抗微分先行、变参数PID等，以提高 PID控制器的鲁棒性和性能。 第十章 现代控制系统综合设计： 系统建模与仿真： 强调了准确的系统建模是成功设计控制器的前提。介绍了常用的建模方法（如物理建模、辨识建模）和仿真工具（如MATLAB/Simulink）。 基于状态空间法的控制器设计： 结合前面介绍的极点配置、LQR等方法，设计状态反馈控制器和状态观测器，实现完整的状态空间控制器。 鲁棒控制与模型预测控制（MPC）： 引入了处理系统模型不确定性和外部扰动的鲁棒控制概念，以及能够考虑系统约束、预测未来行为的模型预测控制技术。 现代控制系统的结构与集成： 讨论了如何将各个控制模块集成到一个完整的控制系统中，并考虑系统的实时性、可靠性、人机交互等工程问题。 第十一章 工程应用实例： 工业过程控制： 以化工、电力、冶金等行业为例，展示了如何应用现代控制技术实现温度、压力、流量、液位等参数的精确控制。 机器人与运动控制： 探讨了在机器人臂、AGV（自动导引车）等系统中，如何运用先进的控制策略实现精确的轨迹跟踪、姿态控制和力控制。 航空航天与车辆控制： 介绍在飞机自动驾驶仪、导弹制导系统、汽车ABS（防抱死制动系统）、ESP（电子稳定程序）等应用中，现代控制理论发挥的关键作用。 其他领域应用： 简要提及控制理论在生物医学工程（如人工胰岛素泵）、环境保护（如污染源控制）等新兴领域的应用。 第十二章 MATLAB在控制系统设计中的应用： MATLAB控制系统工具箱概览： 介绍MATLAB强大的控制系统工具箱，它提供了丰富的函数和工具，用于系统建模、分析、仿真和控制器设计。 系统建模与仿真实践： 通过具体实例演示如何使用MATLAB建立线性、非线性系统的模型，并进行时域、频域仿真。 控制器设计与优化： 展示如何利用MATLAB工具箱进行PID参数整定、极点配置、LQR设计、观测器设计等。 系统性能评估与调优： 说明如何使用MATLAB分析系统的稳定性、动态响应、稳态误差等，并进行控制器参数的优化。 本书通过理论与实践相结合的方式，不仅传授了现代控制系统的分析与设计方法，还强调了在实际工程应用中的问题解决能力。读者通过学习本书，将能够更深入地理解控制系统的原理，掌握设计高性能、高鲁棒性控制器的关键技术，并能将其应用于解决复杂的工程问题。

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这本书的装帧设计实在让人眼前一亮，封面色彩的搭配和字体选择都透露出一种严谨又不失现代感的专业气质。内页的纸张质地也相当不错，长时间阅读下来眼睛不会感到疲劳，这对于一本技术性如此强的书籍来说，无疑是一个巨大的加分项。装订方面也十分牢固，即便是频繁翻阅查找特定章节，也能保持书页的完整性，看得出出版社在制作工艺上的用心。书中的图表和公式排版清晰、规范，逻辑性极强，这在复杂的系统分析中是多么重要啊，很多其他教材的图示总是模糊不清或者排版混乱，导致理解困难，但这本书在这方面做得非常到位，让人在阅读时能保持高度的专注力，真正沉浸到知识的海洋中去。

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这本书在案例分析的广度与深度上，远超出了我预期的同类参考书。它不仅仅停留在传统的经典控制问题，而是巧妙地引入了诸如智能优化算法在系统参数整定中的应用，以及一些前沿的非线性控制方法实例。每一个案例都配有详尽的推导过程和参数选择的讨论，这对于工程实践者来说价值连城。我尤其欣赏作者对“鲁棒性”设计思想的强调，他不仅仅是给出一个设计步骤，而是深入剖析了不同设计选择背后的权衡（trade-offs），这种批判性的思维引导，极大地提升了读者分析和解决实际工程难题的能力，而非仅仅是套用公式。

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从目录结构来看，这本书的逻辑脉络组织得极为精妙，它遵循了一种从宏观到微观，再从经典到现代的递进关系。章节间的过渡自然流畅，知识点之间的衔接如同严密的齿轮咬合，没有出现知识点的突兀跳跃或内容上的冗余堆砌。读者可以很清晰地追踪一条完整知识线索，无论是用于系统学习还是作为工具书查阅，都能高效地定位到所需信息。这种编排上的高水准，无疑是建立在对整个控制科学体系有清晰认知的基础上，使得整本书的阅读体验达到了近乎完美的流畅度。

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初次翻阅时，我最深刻的印象是作者在基础概念阐述上的耐心与深度。他似乎非常懂得初学者的困惑点，并没有急于抛出高深的理论模型，而是用非常生活化、易于理解的语言，层层递进地构建起对控制系统基本原理的认知框架。例如，在介绍状态空间表示法时，作者不仅给出了严格的数学定义，还配以巧妙的物理模型类比，这使得抽象的矩阵运算突然变得“触手可及”。这种教学上的匠心，体现了作者深厚的教学经验和对学科本质的深刻洞察，让原本枯燥的理论学习过程变得充满了探索的乐趣，而不是单纯的记忆负荷。

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与市面上许多理论性过强的教材不同，这本书在理论与工程实践的结合点上找到了一个近乎完美的平衡点。它不是一本纯粹的数学理论专著，也不是一本粗糙的“速成手册”。作者在讲解完核心理论后，总会紧接着讨论“在实际的传感器噪声、执行器饱和等约束条件下，该理论如何落地”。书中涉及到的仿真和实验设计部分，给出了很多非常实用的技巧和注意事项，比如采样周期的选择、离散化误差的控制等，这些都是教科书上经常被忽略，但在实际工作中至关重要的“潜规则”，作者毫无保留地分享了出来，这体现了极高的专业素养和责任感。

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