控制系统计算机辅助设计

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出版者:清华大学
作者:薛定宇
出品人:
页数:451
译者:
出版时间:2006-2
价格:45.00元
装帧:
isbn号码:9787302123255
丛书系列:
图书标签:
  • MATLAB
  • 学习
  • 自动控制
  • 控制
  • 控制系统
  • 计算机辅助设计
  • 自动控制
  • 工程设计
  • 软件应用
  • 仿真分析
  • 系统建模
  • 控制理论
  • 工业自动化
  • 设计软件
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具体描述

《控制系统计算机辅助设计:MATLAB语言与应用》系统地介绍了国际控制界最流行的控制系统计算机辅助设计语言MATLAB,侧重于介绍MATLAB语言编程基础与技巧、数学问题的MATLAB求解、线性系统计算机辅助分析、控制系统与其他复杂系统的Simulink建模,控制系统的计算机辅助设计方法,包括串联控制器、状态反馈控制器、多变量系统频域设计、PID控制器设计、最优控制器设计、LQG/LTR控制器设计、H2=H1 最优控制、分数阶控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、遗传算法优化控制等。《控制系统计算机辅助设计:MATLAB语言与应用》还介绍了基于dSPACE和Quanser的实时控制系统实验方法。

控制系统计算机辅助设计:理论与实践的桥梁 在现代工程领域,控制系统扮演着至关重要的角色,无论是航空航天、汽车制造,还是能源电力、生物医药,其核心都离不开精确、高效的控制。然而,随着系统复杂度的不断提升,传统的“试错法”或纯理论推导已难以应对挑战。在此背景下,计算机辅助设计(CAD)技术应运而生,为控制系统的设计、分析与优化提供了强大的支撑。 本书并非探讨“控制系统计算机辅助设计”这一特定学科领域的内部运作或工具使用,而是聚焦于如何运用计算机辅助设计的方法与理念,来解决和优化各类工程控制系统在实际应用中所面临的复杂问题。 本书将深入剖析控制系统设计中的关键环节,并展示计算机辅助设计如何成为连接理论模型与工程实践的桥梁。 核心内容概述: 本书将从基础的控制系统理论出发,逐步深入到计算机辅助设计在其中的具体应用。我们不会详细介绍具体的CAD软件操作,而是侧重于思想和方法。 第一部分:现代控制系统理论基础与设计挑战 经典控制理论回顾与局限性: 简要回顾PID控制、根轨迹、频率响应等经典控制理论,并分析其在处理高维、非线性、时变系统时的局限性。 现代控制理论核心概念: 引入状态空间表示、能控性、能观性、稳定性判据(如李雅普诺夫稳定性)等现代控制理论的核心概念,为后续的计算机辅助设计奠定理论基础。 工程实践中的控制系统挑战: 探讨实际工程中常见的控制难题,如参数不确定性、环境干扰、系统非线性、性能指标权衡(如响应速度、精度、鲁棒性)等。这些挑战正是计算机辅助设计发挥作用的沃土。 第二部分:计算机辅助设计在控制系统分析中的应用 系统建模与仿真: 模型建立方法: 介绍如何将复杂的物理过程转化为数学模型,包括从机理建模(如牛顿定律、电路方程)到辨识建模(如系统辨识算法)的多种方法。 仿真平台的选择与应用: 讨论如何利用数值计算软件(如MATLAB/Simulink、Python SciPy/NumPy)进行系统仿真,模拟系统在不同输入下的动态响应,验证控制策略的有效性。 仿真结果的分析与解读: 强调如何科学地分析仿真数据,识别系统性能瓶颈,例如通过时域和频域分析来评估系统的响应特性。 性能分析与评估: 稳定性分析: 介绍如何利用数值方法(如特征值分析、李雅普诺夫方程求解)来严格证明系统的稳定性,尤其是在存在不确定性或非线性时。 鲁棒性分析: 探讨如何评估控制系统在面对模型参数变化、外部扰动时的性能保持能力,例如通过不确定性集、H-infinity范数等概念进行分析。 优化指标的计算与验证: 如何利用计算机辅助工具精确计算各种性能指标(如超调量、调节时间、稳态误差),并与设计目标进行对比。 第三部分:计算机辅助设计在控制系统综合与优化中的应用 控制器综合技术: 极点配置法: 详细阐述如何通过状态反馈或输出反馈来任意配置系统的闭环极点,从而达到期望的动态性能。 最优控制理论: 介绍LQR(线性二次型调节器)、LQG(线性二次高斯)等最优控制方法,以及如何通过计算来求解最优控制律,以最小化性能指标。 模型预测控制(MPC): 深入探讨MPC的核心思想,即利用系统模型对未来进行预测,并通过优化算法求解未来一段时间内的控制输入序列,实现对复杂、约束条件下的系统进行优化控制。 系统优化与参数整定: 基于优化的参数整定: 介绍如何将控制器参数的整定问题转化为一个优化问题,利用各种优化算法(如遗传算法、粒子群算法、梯度下降法)自动寻找最优参数。 多目标优化: 探讨如何处理多个相互冲突的性能指标,利用Pareto最优性等概念,在不同性能之间找到最佳的权衡点。 自适应控制与学习控制: 介绍如何利用计算机辅助方法,设计能够实时调整自身参数以适应系统变化或未知动态的控制器,例如模型参考自适应控制(MRAC)、基于神经网络的自适应控制等。 第四部分:高级应用与未来展望 复杂系统建模与控制: 分布式控制系统(DCS): 探讨如何利用计算机辅助设计来管理和协调多个子系统之间的交互,实现全局优化。 网络化控制系统(NCS): 分析网络延迟、丢包等因素对控制性能的影响,以及如何通过鲁棒设计和优化来应对这些挑战。 智能控制方法: 简要介绍模糊逻辑控制、神经网络控制等智能控制策略,以及如何利用计算机辅助工具进行设计和仿真。 面向实践的工程考量: 实时性与计算效率: 讨论在实际应用中,控制器算法的计算复杂度与实时性要求,以及如何选择或设计高效的算法。 硬件实现与嵌入式系统: 介绍如何将设计的控制算法转化为能够在嵌入式硬件上运行的代码,并考虑硬件资源限制。 验证与测试: 强调在部署前进行充分的软硬件联合仿真和实际系统测试的重要性。 本书的目标是为工程师和研究人员提供一个坚实的框架,使他们能够更有效地利用计算机辅助设计工具,解决日益复杂的控制系统设计问题。通过深入理解控制理论与计算机辅助设计方法的结合,读者将能够设计出更精确、更鲁棒、更优化的控制系统,从而推动各工程领域的创新与进步。本书强调的是“如何思考”和“如何解决问题”,而非简单地罗列软件功能。

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读后感

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用户评价

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这本书的内容,真的可以说是让我耳目一新。我一直对控制系统在自动化领域中的应用充满好奇,尤其是在复杂的工业生产流程和航空航天领域。这本书的开篇就给我一种豁然开朗的感觉,它不仅仅是罗列枯燥的公式和定理,而是以一种非常直观的方式,将抽象的控制理论具象化。我尤其欣赏它对各种控制系统模型的讲解,从经典的PID控制器到更先进的现代控制方法,都进行了深入的剖析。通过书中大量的图示和仿真结果,我能够清晰地看到不同控制策略在不同系统特性下的表现差异,这对于我理解和选择合适的控制器至关重要。书中关于稳定性分析的部分,也给了我很大的启发。我一直觉得,要设计一个可靠的控制系统,稳定性是基础中的基础。这本书不仅介绍了李雅普诺夫稳定性理论,还展示了如何在计算机辅助环境下进行稳定性裕度的计算和分析,这无疑大大提高了设计的效率和可靠性。此外,书中对系统辨识的介绍也十分到位。在很多实际应用中,我们很难获得精确的系统模型,这时候就需要通过实验数据来辨识系统。这本书提供了多种辨识方法,并指导我如何使用相应的软件工具来完成这一过程。我甚至尝试着将书中的方法应用到我目前正在研究的一个机器人控制项目上,效果出奇地好。让我印象深刻的是,书中还探讨了如何处理系统中的不确定性,这对于设计鲁棒的控制器非常重要。通过对不确定性模型进行分析,并结合鲁棒控制设计方法,我可以确保我的控制系统在面对参数变化或外部干扰时,依然能够保持良好的性能。这本书真正做到了理论与实践的完美结合,让我对控制系统设计有了更全面、更深入的认识。

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这本书的内容,让我对“设计”这个词有了更深层次的理解。我原本以为,控制系统的设计就是单纯的数学计算和公式推导,但这本书让我看到了一个更广阔的图景:计算机辅助设计。它将抽象的控制理论与具体的工程实践相结合,为我提供了一个强大的工具箱。我尤其欣赏书中关于建模和仿真部分的讲解。它详细介绍了如何利用各种软件工具,构建出精确的系统模型,并在此基础上进行各种动态仿真分析。例如,在设计一个自动驾驶系统的横向控制时,我需要考虑车辆的动力学模型、路面摩擦系数、传感器噪声等多种因素,这本书就提供了一个清晰的框架,指导我如何将这些因素融入到模型中,并通过仿真来验证控制器的有效性。书中关于控制器设计的部分也同样精彩,它详细介绍了PID、状态反馈、模型预测控制等多种经典和先进的控制算法,并展示了如何在CAD环境中实现这些算法,并对控制器的性能进行评估。我印象深刻的是,书中还探讨了如何处理系统中的不确定性,这对于设计鲁棒的控制器至关重要。通过学习这些内容,我不仅理解了控制系统的基本原理,更掌握了利用现代工具进行系统设计和优化的方法,这对我未来的工程实践有着深远的意义。

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这本书,真的让我深刻体会到了“工欲善其事,必先利其器”的道理。我之前一直从事与自动化相关的研究,对控制系统有着浓厚的兴趣,但苦于缺乏有效的工具和系统性的指导,很多想法只能停留在理论层面。这本书的出现,仿佛为我打开了一扇新的大门。它不仅深入浅出地讲解了控制系统的各种理论知识,更重要的是,它将这些理论与计算机辅助设计紧密地结合起来。我特别喜欢书中关于系统建模和仿真分析的部分。它详细介绍了如何利用各种软件工具,例如MATLAB/Simulink等,来构建复杂的动态系统模型,并进行各种性能分析,比如稳定性分析、频率响应分析、时域响应分析等。这些仿真结果不仅直观易懂,而且能够帮助我快速验证和优化我的设计方案。书中对各种控制算法的讲解也十分到位,从经典的PID控制器到先进的状态反馈、模型预测控制,都进行了详尽的介绍,并提供了详细的实现步骤和案例。我尤其欣赏书中关于鲁棒控制和自适应控制的章节,这些技术能够帮助系统在不确定和动态的环境下保持稳定和高性能,这对于很多实际工程应用至关重要。通过学习这本书,我不仅获得了扎实的理论知识,更掌握了将这些理论转化为实际工程应用的能力,这对我未来的职业发展有着巨大的帮助。

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我一直对如何让系统变得更智能、更高效充满兴趣,而控制系统无疑是实现这一目标的关键。这本书的出现,正好满足了我对这一领域深度探索的渴望。它并没有局限于理论知识的讲解,而是将重点放在了“计算机辅助设计”这一核心理念上,这让我看到了将复杂控制理论转化为实际应用的可行路径。我特别欣赏书中关于建模和仿真部分的讲解。它详细介绍了如何利用各种软件工具,构建精确的系统模型,并在此基础上进行各种动态仿真分析。例如,在设计一个机器人手臂的运动控制时,我需要考虑关节的自由度、电机的参数、负载的变化等多种因素,这本书就提供了一个清晰的框架,指导我如何将这些因素融入到模型中,并通过仿真来验证控制器的有效性。书中关于控制器设计的部分也同样精彩,它详细介绍了PID、状态反馈、模型预测控制等多种经典和先进的控制算法,并展示了如何在CAD环境中实现这些算法,并对控制器的性能进行评估。我印象深刻的是,书中还探讨了如何处理系统中的非线性因素,这对于设计更强大的控制器至关重要。通过学习这些内容,我不仅理解了控制系统的基本原理,更掌握了利用现代工具进行系统设计和优化的方法,这对我未来的工程实践有着深远的意义。

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这本书的内容,对于我这样一个对控制理论充满热情但又苦于实践应用的学习者来说,简直是一场及时雨。我一直被控制系统在提升系统性能、保证稳定性方面的强大能力所吸引,但往往在实际操作中,因为缺乏合适的工具和指导而感到力不从心。这本书恰好填补了这一空白。它详尽地介绍了各种控制算法的原理,并将其与具体的计算机辅助设计软件相结合。我尤其喜欢书中对于仿真实验的设计,通过对不同参数设置下的仿真结果进行对比分析,我能直观地理解各种控制策略对系统性能的影响。例如,在学习PID控制器时,书中不仅讲解了P、I、D参数的意义,还详细演示了如何通过波特图、奈奎斯特图等工具来整定这些参数,以获得最优的控制效果。对于像状态空间方法这样的高级控制理论,书中也给出了清晰的讲解,并展示了如何在MATLAB/Simulink等环境中实现状态反馈控制器,并进行性能分析。我印象深刻的是,书中还探讨了如何进行模型降阶,以及如何处理高阶系统的稳定性问题,这对于我理解和设计大型复杂系统非常有帮助。此外,对于一些非线性控制问题的处理,如模糊逻辑控制和神经网络控制,书中也进行了介绍,并展示了如何利用相关的软件工具来构建和仿真这些控制器。总而言之,这本书为我提供了一个系统性的学习路径,让我能够从理论走向实践,将抽象的控制思想转化为实际可行的工程解决方案。

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这本书的内容,可以说完全颠覆了我之前对控制系统设计的一些固有认知。我原本以为,这可能是一本充斥着枯燥数学公式和晦涩理论的教科书,但事实证明,我错了。它以一种非常人性化和实用化的方式,将控制系统设计的复杂性一一拆解。我最喜欢的是书中关于仿真平台的介绍。它详细讲解了如何利用主流的CAD软件,构建出复杂的动态系统模型,并在此基础上进行各种性能分析和优化。例如,在模拟一个电梯的控制系统时,书中详细演示了如何考虑乘客的等待时间、电梯的运行速度、楼层间的距离等多种因素,并利用仿真来评估不同控制策略的优劣。这让我能够更直观地理解控制系统是如何工作的,以及如何通过调整参数来达到最优的性能。书中对各种控制算法的阐述也十分到位,从最基础的PID控制器,到更高级的状态反馈、模型预测控制,都进行了深入的讲解,并提供了详细的实现步骤。我印象深刻的是,书中还探讨了如何处理系统中的噪声和不确定性,这对于设计鲁棒可靠的控制器至关重要。通过学习这些内容,我不仅掌握了控制系统的理论知识,更获得了将这些知识转化为实际工程应用的能力,这对我来说是极大的提升。

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阅读这本书的过程,对我而言,更像是一次与现代工程设计理念的深度对话。我一直认为,一个优秀的工程师,不仅要有扎实的理论基础,更要掌握高效的工具来将这些理论付诸实践。这本书正是这样一本引导我完成这一转化的指南。它并没有止步于对各种控制理论的讲解,而是将重点放在了“计算机辅助设计”这一核心上。我特别关注书中关于建模工具的部分,比如如何利用图形化界面构建复杂的动态系统模型,以及如何将这些模型集成到统一的仿真环境中。书中对不同仿真软件的优缺点分析,以及在不同应用场景下的选择建议,都为我节省了大量摸索的时间。我最欣赏的是书中关于系统分析和验证的部分。例如,在设计一个高性能伺服系统时,我需要分析系统的频率响应、瞬态响应以及鲁棒性。这本书提供了详细的步骤和相应的指令,指导我如何在CAD环境中生成各种分析曲线,并解读这些曲线所代表的系统特性。更重要的是,它还教授了我如何通过Monte Carlo仿真等方法,来评估控制器在各种不确定条件下的性能表现,这对于确保系统的鲁棒性和可靠性至关重要。这本书的内容让我认识到,现代控制系统设计已经不再是单纯的数学推导,而是高度依赖于计算工具的协同工作。它所提供的不仅是知识,更是一种全新的工作流程和思维方式,让我在面对复杂的工程问题时,能够更加自信、更加高效地找到最优解决方案。

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我一直对工程设计的各个环节都充满好奇,尤其是那些能够提升系统性能、保证稳定运行的“幕后英雄”——控制系统。这本书的出现,恰好满足了我对这一领域深入探索的渴望。它并没有局限于理论知识的堆砌,而是着重于“计算机辅助设计”这一核心概念,这让我看到了将复杂控制理论转化为实际应用的可行路径。我特别欣赏书中对于建模和仿真部分的讲解。它详细介绍了如何利用各种软件工具,构建精确的系统模型,并在此基础上进行各种动态仿真分析。例如,在设计一个飞行器的姿态控制系统时,我需要考虑气动参数、发动机推力等多种因素,这本书就提供了一个清晰的框架,指导我如何将这些因素融入到模型中,并通过仿真来验证控制器的有效性。书中关于控制器设计的部分也同样精彩,它详细介绍了PID、状态反馈、模型预测控制等多种经典和先进的控制算法,并展示了如何在CAD环境中实现这些算法,并对控制器的性能进行评估。我尤其关注书中关于鲁棒控制和自适应控制的章节,这些技术能够帮助系统在不确定性和变化的环境下保持稳定和高性能,这对于很多实际工程应用至关重要。通过学习这些内容,我不仅理解了控制系统的基本原理,更掌握了利用现代工具进行系统设计和优化的方法,这对我未来的工程实践有着深远的意义。

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这本书,我拿到手的时候,确实被它的书名吸引住了。《控制系统计算机辅助设计》,光听名字就觉得它应该是一本能够引领我深入理解现代控制系统设计最新技术、并且提供强大工具支持的宝典。我本身从事的职业与控制工程息息相关,长期以来,我一直在寻找一本能够真正将理论与实践紧密结合,并且能够充分体现计算机在现代工程设计中所扮演的关键角色的著作。我期待着这本书能够为我揭示如何利用先进的软件工具,高效、准确地完成复杂控制系统的建模、分析、仿真和优化。我希望它能提供清晰的步骤和详实的案例,让我能够理解不同CAD工具的优劣,以及在实际项目中如何选择最适合的工具链。更重要的是,我希望这本书能够激发我对于控制系统设计方法论的思考,让我不仅学会“怎么做”,更能理解“为什么这么做”。例如,在处理非线性系统时,我希望这本书能详细阐述如何利用数值方法和符号计算工具来构建精确的模型,并评估不同近似方法的适用性。在系统辨识方面,我期待能看到如何利用实验数据,通过不同的算法(如最小二乘法、最大似然法等)来辨识出系统的动力学模型,并且能够理解这些模型在实际应用中的局限性。此外,对于先进的控制策略,如自适应控制、鲁棒控制、预测控制等,我希望书中能够提供其背后的数学原理,以及如何在CAD环境中实现和验证这些控制器的性能,特别是针对实际工程中常见的传感器噪声、执行器饱和等非理想因素。总而言之,这本书对我来说,不只是一本教科书,更是我职业生涯中探索和突破的有力助手,我渴望它能为我开启一扇通往更高效、更智能的控制系统设计世界的大门。

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这本书的内容,给我带来了一种全新的视角来理解控制系统设计。我一直认为,控制理论是工程领域的一个重要分支,但如何将其有效地应用于实际工程项目,一直是我思考的问题。这本书恰好提供了一个完美的解决方案:计算机辅助设计。它不仅深入浅出地讲解了各种控制理论的精髓,更重要的是,它将这些理论与现代的CAD工具紧密地结合起来。我特别欣赏书中关于系统建模和仿真分析的详尽介绍。它指导我如何利用各种软件工具,构建出复杂的动态系统模型,并在此基础上进行各种性能分析,如稳定性、响应速度、鲁棒性等。这些仿真结果不仅直观易懂,而且能够帮助我快速验证和优化我的设计方案。书中对各种控制算法的讲解也十分到位,从最基础的PID控制器到更高级的状态反馈、模型预测控制,都进行了详尽的介绍,并提供了详细的实现步骤和案例。我印象深刻的是,书中还探讨了如何处理系统中的不确定性,这对于设计鲁棒可靠的控制器至关重要。通过学习这本书,我不仅获得了扎实的理论知识,更掌握了将这些理论转化为实际工程应用的能力,这对我未来的职业发展有着巨大的帮助。

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