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出版者:西安电子科技大学出版社

作者:李孟源

出品人:

页数:165

译者:

出版时间:2007-9

价格:14.00元

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isbn号码:9787560618920

丛书系列:

图书标签:

• 计量技术
• 测量原理
• 误差分析
• 传感器
• 仪器仪表
• 数据采集
• 信号处理
• 实验教学
• 工程测量
• 工业计量

现代控制理论与先进传感技术：面向工业自动化与智能制造的深度融合 本书籍深入探讨了现代控制理论的最新发展及其与高精度传感技术在现代工业自动化和智能制造领域中的集成应用。 旨在为工程技术人员、研究人员及相关专业高年级学生提供一个全面、深入且具有前瞻性的知识体系，以应对当前工业升级对控制精度、实时性、柔性和智能化提出的严峻挑战。 本书共分七大部分，内容涵盖了从基础理论到前沿工程实践的多个关键层面。 --- 第一部分：现代控制理论的基石与拓展 本部分着重回顾并深化了经典控制理论无法有效处理的复杂系统问题，为理解现代控制方法奠定坚实基础。 1.1 状态空间描述与系统辨识的深化 系统状态空间表示法是现代控制的核心语言。本章详细阐述了多输入多输出（MIMO）系统的严格数学建模过程，包括线性和非线性系统的状态变量选择与定义。重点讨论了在线系统辨识技术，特别是卡尔曼滤波（Kalman Filtering）在噪声环境下精确估计系统状态变量的应用。我们不仅仅停留在理论推导，更深入分析了在大型复杂机电耦合系统中，如何处理模型不确定性（Model Uncertainty）对辨识精度和系统稳定性的影响。引入了基于子空间辨识（Subspace Identification）等先进方法，以应对高维和高噪声环境下的模型获取难题。 1.2 线性二次型调节器 (LQR) 与最优控制原理 LQR作为经典最优控制的代表，是设计高性能控制器的重要工具。本章细致解析了性能指标函数（Cost Function）的设计原则，特别是权重矩阵 $Q$ 和 $R$ 对控制性能（如响应速度、超调量）和执行器输入约束的权衡。在此基础上，我们引入了奇异摄动法（Singular Perturbation Method），用于处理具有快慢动态特性的多速率或多尺度系统，实现控制器的分层设计。此外，还探讨了预测控制（Model Predictive Control, MPC）的基础结构，将其视为LQR在处理约束条件下的自然延伸。 1.3 鲁棒控制理论：应对模型不确定性 在实际工程中，系统模型总存在误差。鲁棒控制理论正是为了确保系统在模型不确定性下依然保持稳定和可接受的性能。本章详细介绍了 $H_{infty}$ 控制的设计流程，包括对外部扰动和模型未建模动态（Unmodeled Dynamics）的频域抑制设计。对比分析了 $mu$-综合理论在处理结构化不确定性（如参数不确定性矩阵）时的优越性。对线性矩阵不等式（LMI）在鲁棒控制器综合中的应用进行了详尽的求解实例演示。 --- 第二部分：非线性系统的先进控制策略 现代工业装备（如机器人、高精度机床）本质上都是非线性系统。本部分专注于解决非线性系统带来的复杂性。 2.1 滑模控制（SMC）及其前沿发展 SMC以其对外部扰动和模型参数变化的强鲁棒性而著称。本章深入剖析了经典SMC的抖振现象（Chattering）产生机理，并重点介绍了滑模观测器（SMO）的设计，用于估计模型中未知的外部干扰或系统参数。针对抖振问题，详细阐述了高阶滑模（Higher-Order SMC, HOSM）和SMC的等效控制与鲁棒控制结合的策略，以实现光滑且快速的收敛。 2.2 神经网络与自适应控制的融合 本章探讨了如何利用神经网络（如RBF网络、BP网络）的逼近能力来处理难以建立精确数学模型的非线性系统。自适应神经控制（Adaptive Neural Control）部分，介绍了如何在线调整网络权值，以补偿系统动态变化。特别关注了基于Lyapunov稳定性理论的在线自整定算法，确保在自适应过程中系统的全局稳定性。 2.3 混沌理论与复杂系统控制 在某些高精度动态系统中，如微振动抑制或复杂流体控制，可能出现受控系统表现出混沌行为。本节简要介绍了动力学重构技术和基于Poincaré截面分析的方法，用于理解和抑制系统内部的非预期复杂动态。 --- 第三部分：高精度传感器的原理、接口与融合 控制的精度受限于测量的精度。本部分转向测量和信息获取的前沿技术。 3.1 现代高频与微型传感技术 详细介绍了用于高速动态测量的激光多普勒测速仪（LDV）的工作原理及其在振动分析中的应用。重点阐述了MEMS惯性测量单元（IMU）的内部结构、误差来源（如偏置漂移、比例因子不确定性）以及温度补偿策略。对于高精度定位，分析了基于光栅和编码器的绝对值和增量式测量的误差补偿技术。 3.2 信号调理与抗干扰技术 实际采集的信号往往包含严重的噪声和环境干扰。本章详细讨论了高分辨率模数转换器（ADC）的选择标准，包括有效位数（ENOB）和采样率。着重讲解了有源滤波器的设计（如Sallen-Key结构）以去除特定频率干扰，以及在强电磁干扰环境下，采用差分信号传输和屏蔽技术的工程实践。 3.3 传感器数据融合（Sensor Fusion） 在智能系统中，单一传感器信息往往不足。本章系统阐述了数据融合的数学基础，包括扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）在融合异构传感器数据（如GPS、IMU和视觉传感器）中的应用，以提高状态估计的鲁棒性和连续性。 --- 第四部分：预测控制（MPC）的深度应用与实现 MPC因其前瞻性和约束处理能力，已成为过程控制和运动控制领域的主流技术。 4.1 线性MPC（LMPC）的设计与求解 本章详细剖析了LMPC的滚动优化过程，重点讨论了如何将标准二次规划（QP）问题转化为实时可解的形式。探讨了对角化求解器和迭代求解算法在嵌入式平台上的加速实现方法。 4.2 非线性MPC（NMPC）的挑战与解决方案 NMPC虽然能处理更复杂的非线性系统，但其计算负荷巨大。本节重点介绍了基于伪谱法的NMPC和准微分（Quasi-Dynamic Programming）方法来求解非线性优化问题。讨论了降低计算复杂度的在线简化（Online Simplification）技术，以及如何利用系统运行中识别的局部线性模型来辅助NMPC的快速求解。 --- 第五部分：面向智能制造的分布式控制系统 随着工业4.0的发展，对分布式、高可靠性控制系统的需求日益增加。 5.1 实时以太网与时间敏感网络（TSN） 传统现场总线（如CAN, Profibus）已无法满足高带宽、低延迟的需求。本章深入讲解了TSN标准中关键技术，如时间同步（IEEE 802.1AS）和流量整形（IEEE 802.1Qbv），确保控制报文的确定性传输。 5.2 边缘计算在控制中的部署 分析了将部分复杂控制算法（如高频的NMPC解算或复杂的机器视觉处理）下沉到边缘控制器（Edge Controllers）的架构优势。讨论了边缘设备间的协同控制策略，以及如何通过低延迟网络保证分布式控制环路的整体稳定性。 --- 第六部分：系统安全与故障诊断 确保控制系统的安全性和可靠性是工程实践的首要任务。 6.1 基于模型和基于数据的高级故障诊断 系统性地介绍了残差生成技术，包括基于观测器的残差生成法和基于模型变换的残差生成法。重点讨论了多核学习算法在复杂故障模式识别中的应用，以及如何区分传感器故障和执行器故障。 6.2 网络安全在控制系统中的渗透 针对工业控制系统（ICS）面临的网络攻击威胁，本章探讨了纵深防御策略。分析了针对控制协议（如Modbus/TCP, OPC UA）的攻击向量，并提出了基于白名单机制和异常流量检测的实时入侵防御措施，确保控制指令的完整性和机密性。 --- 第七部分：先进驱动与伺服系统 高性能伺服系统是实现高精度运动控制的核心。 7.1 无刷直流电机（BLDC）与永磁同步电机（PMSM）的高精度控制 详细解析了PMSM的磁场定向控制（FOC），并探讨了在零速和低速区因磁链观测误差导致的控制性能下降问题。提出了高频注入法（High-Frequency Injection）在无传感器FOC中的应用，以克服低速盲区。 7.2 伺服系统的精确力矩与位置控制 针对精密装配和打磨任务，本章侧重于阻抗控制（Impedance Control）的设计，使其能够精确地匹配预设的机械特性。讨论了在存在摩擦和弹性负载情况下的前馈补偿和自适应摩擦模型的建立，以实现超越传统PID的伺服性能。 --- 总结： 本书籍通过理论的深度解析和工程实践的紧密结合，构建了一套面向未来工业需求的先进控制与测量技术框架。读者不仅能掌握现代控制理论的精髓，更能学习到如何利用前沿传感和计算技术，设计出高度鲁棒、精确且智能的自动化系统。内容力求前沿、实用，并强调理论与硬件实现的有机统一。

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我是一名机械设计出身的工程师，对基础理论知识一直有些不求甚解，总觉得那些“计量学”的东西离我的实际工作很遥远。然而，这本书彻底颠覆了我的看法。其中有一章专门讨论了公差配合与测量公差之间的相互影响，简直是为我量身定制的“醒悟录”。作者通过一个实际的轴承安装案例，详细推导了在极限偏差范围内，不同测量工具带来的误差累积效应。他没有停留在理论层面，而是给出了具体的改进建议，比如何时应该放弃使用量规而改用三坐标测量机。书中对测量仪器的校准周期和校准方法的选择也提供了非常实用的指导，尤其是在资源有限的小型车间环境下，如何制定一个既符合规范又经济高效的校准计划。这种将理论深度与工程实践紧密结合的写作风格，让我感觉自己手中的工具不再是冰冷的铁疙瘩，而是能与更宏大的测量体系相连接的精密触点。

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这本书的排版设计简直是一场视觉的盛宴，尤其是在介绍计量器具的检定时。我原本以为会看到一堆模糊不清的仪器照片，没想到作者团队竟然为每一个关键仪器——从千分尺到精密天平——都制作了高清的剖面图和功能示意图。那些图示极其精细，每一个游标、每一个齿轮的咬合点都标注得清清楚楚，让人仿佛能触摸到仪器的内部构造。在讲解游标卡尺的读数技巧时，作者甚至专门设计了一个“放大镜”效果的插图，用不同颜色的线条区分主尺与副尺的刻度线，极大地缓解了新手看模糊刻度的困扰。更让我惊喜的是，书中对“计量溯源链”的描述，作者没有使用传统的链条比喻，而是用了一张流动的“信息瀑布图”，清晰地展示了国家标准是如何层层向下传递到最终使用者的过程。这种创新性的图文结合方式，让原本晦涩的计量管理体系变得生动起来，即便是对计量标准不熟悉的人也能迅速抓住重点。

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这本书的封面设计相当朴实，那种带着年代感的米黄色纸张，摸上去有一种温润的触感。打开第一页，映入眼帘的是作者的引言，字里行间透露着一种对精确测量的执着与热爱。我特别喜欢其中一个比喻，作者将测量比作是与自然进行的一次“诚实的对话”，每一组数据都是自然界给出的回应。书中对测量误差的讲解非常深入，不同于我之前看过的那些枯燥的教科书，这里的讲解充满了生活化的例子。比如，作者会详细分析我们日常生活中遇到的水管漏水问题，如何通过多次测量来逼近真实的流量，以及如何区分系统误差和随机误差。书中还配有一些手绘的图表，线条流畅而精准，使得那些复杂的数学公式看起来不再那么令人望而却步。对于初学者来说，这本书就像一位循循善诱的老师，耐心地引导你进入测量的世界，让你明白，计量不仅仅是数字的堆砌，更是一种严谨的思维方式。读完前几章，我感觉自己对“准确”这个词有了全新的认识，它不再是一个绝对的概念，而是一个需要在不断实践中去逼近的目标。

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读完这本书，我最大的感受是作者对“计量文化”的弘扬。书中最后一部分内容，从计量学的历史沿革讲到了现代智能制造中计量技术的地位，叙事流畅，引人入胜。作者并没有将计量历史写成枯燥的年代记，而是穿插讲述了伽利略、拉瓦锡等科学巨匠在定义标准、统一单位过程中所付出的努力和遇到的阻力。这让我意识到，我们今天享受的精确测量成果，是几代人智慧的结晶。尤其是对国际单位制（SI）演变历程的介绍，从实物基准到基于常数的定义，描述得既有科学的严谨性，又不失故事的趣味性。整本书读下来，我感觉自己不仅仅是学习了一门技术，更像是接受了一次关于“追求客观真实”的价值观教育。它成功地将一门看似冷硬的工程技术，注入了人文关怀和历史厚度，让人在合上书本时，心中充满敬意。

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我花了整整一个下午的时间沉浸在关于“不确定度评定”的那一章节里，简直被作者的逻辑结构所折服。他没有急于抛出复杂的计算公式，而是先从哲学的角度探讨了“测量的不确定性”这一概念的必然性。书中提到，任何一次测量都是有限的工具对无限世界的近似描述，这种坦诚的态度让我感到非常放松，不再因为无法达到“零误差”而焦虑。特别精彩的是，作者用一套完整的案例，从电阻值的测量到温度的校准，一步步展示了如何运用A类评定和B类评定来综合分析不确定度。那些案例的数据处理过程，清晰得像一个精密仪器的内部结构图，让人一目了然。我特别留意了关于标准不确定度合成的部分，作者巧妙地运用了向量分析的思路，使得原本复杂的根号下求和运算变得直观易懂。这本书的价值在于，它不仅教你“如何做”，更让你深刻理解“为什么这么做”，这对于培养一个合格的计量人员至关重要。我甚至想，如果早几年读到这本书，我在学校的实验报告里可能会少掉不少被扣分的地方。

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