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出版者:高等教育

作者:本社

出品人:

页数:413

译者:

出版时间:2008-1

价格:39.90元

装帧:

isbn号码:9787040226669

丛书系列:普通高等学校信息与计算科学专业系列丛书

图书标签:

• 控制理论
• 自动控制
• 系统分析
• 数学模型
• 反馈控制
• 稳定性分析
• 频率响应
• 状态空间
• 最优控制
• 现代控制理论

《现代控制系统分析与设计》 第一章：绪论与系统建模 本章旨在为读者构建一个坚实的现代控制理论基础。我们将从控制工程的起源与发展历程入手，阐述控制系统在现代工业、航空航天、机器人以及生物医学等领域中的核心地位。随后，重点转向系统建模这一控制设计的前提工作。 首先，我们将详细介绍时域建模的基本方法。对于物理系统，如机械系统（弹簧-质量-阻尼器）、电路系统（RLC网络）以及机电耦合系统，我们将运用牛顿第二定律、基尔霍夫定律等基本物理原理，推导其微分方程或差分方程。在此基础上，我们将深入探讨拉普拉斯变换在处理线性常系数微分方程中的强大能力，并引入传递函数的概念，解析其在系统结构分析中的意义。 继而，章节转向更具普适性的状态空间描述。我们将阐述状态变量的选择原则，并演示如何将高阶微分方程转换为一组一阶线性常微分方程组。这包括系统的状态方程和输出方程的构建。我们将详细分析状态空间模型的物理意义，特别是其在处理多输入多输出（MIMO）系统时的优势。本章还将涉及系统的框图表示和信号流图，特别是梅森（Mason）增益公式的应用，用以快速推导复杂系统的整体传递函数。 第二章：线性定常系统的时域分析 本章专注于利用系统的时域响应特性来评估其性能和稳定性。我们将从暂态响应和稳态响应两个维度展开分析。 暂态响应分析将聚焦于单位阶跃输入下的系统行为。对于二阶及以上系统，我们将引入极点位置与暂态性能指标之间的定量关系，包括超调量（$M_p$）、峰值时间（$T_p$）、调节时间（$T_s$）和上升时间（$T_r$）。我们将详细讨论主导极点近似理论，解释如何通过识别对响应影响最大的极点来简化高阶系统的分析。 稳态误差分析是本章的核心内容之一。我们将定义并计算零输入、零相位误差（稳态误差）的位置误差常数 ($K_p$)、速度误差常数 ($K_v$) 和加速度误差常数 ($K_a$)。我们将系统分类（0型、I型、II型）与不同输入信号（阶跃、斜坡、抛物线）下的稳态误差进行关联，并阐明积分环节（I型）在消除稳态误差中的关键作用。 此外，本章还将对稳定性进行深入探讨。我们将介绍代数判据，即著名的劳斯-赫尔维茨（Routh-Hurwitz）判据，详细讲解如何利用劳斯表来判断系统的闭环稳定性，以及判据中特定元素数值的符号变化与不稳定根的个数之间的关系。 第三章：根轨迹分析法 根轨迹法是设计超调量和调节时间等瞬态性能指标的关键图解分析工具。本章将系统地介绍根轨迹的绘制步骤与理论基础。 我们将从特征方程出发，导出根轨迹的定义：即系统闭环极点随开环增益 $K$ 变化的轨迹。随后，我们将逐一讲解绘制根轨迹的基本法则，包括： 1. 起始点与终点：对应于 $K=0$ 和 $K o infty$ 时的极点和零点。 2. 实轴上的轨迹：依赖于右侧零极点对数之和的奇偶性。 3. 渐近线：包括渐近线的条数（零极点对数差）和实轴上的交点（质心）。 4. 分离角与汇合角：利用复平面上零点和极点与轨迹上某点连线的角度关系。 5. 虚轴穿越点：利用劳斯判据确定系统在何种增益下穿越虚轴，以及对应的穿越频率。 通过实例分析，我们将展示如何利用根轨迹来补偿系统性能。例如，如何选择增益 $K$ 使系统满足特定的阻尼比或自然频率要求。本章还将扩展到涉及根轨迹偏移的分析，例如零点和极点移动对轨迹形态的影响。 第四章：频率响应分析法 频率响应分析法侧重于系统在连续正弦输入下的稳态特性，是评估系统鲁棒性和相对稳定性的有力工具。本章将建立时域、频域和复频域之间的桥梁。 首先，我们将传递函数的实变量 $s$ 替换为 $jomega$，从而得到系统的频率特性 $G(jomega)$。我们将详细分析幅频特性和相频特性，并引入伯德图（Bode Plot），展示如何通过对数坐标快速、准确地描绘系统的幅频和相频曲线，并判断其高低通特性。 随后，我们将介绍奈奎斯特（Nyquist）图。奈奎斯特图作为一种强大的复平面图形工具，其核心价值在于奈奎斯特稳定性判据。我们将详细推导并应用该判据，阐明开环传递函数 $L(s)$ 的轨迹包围开环零点（即闭环极点）的次数与系统闭环稳定性之间的关系。 利用频率响应图，我们将定义和计算相对稳定性指标：增益裕度 ($GM$) 和相位裕度 ($Phi_M$)。这两个指标量化了系统在存在不确定性或时滞情况下保持稳定的能力。此外，本章还将讨论带宽、截止频率等性能指标在频域中的意义。 第五章：根轨迹与频率响应的协调设计 本章将频率响应分析与时域分析（特别是根轨迹）相结合，旨在提供一套完整的系统性能优化流程。 我们将探讨前置补偿器（Lead Compensator）和滞后补偿器（Lag Compensator）的设计原理。 超前补偿器：旨在通过引入零极点对，提高系统的相位裕度，从而改善系统的瞬态响应速度和稳定性。我们将详细分析其在伯德图上对幅度和相位的提升作用。 滞后补偿器：主要目标是在保持或略微提高系统稳定裕度的前提下，大幅度减小系统的稳态误差。我们将分析其在低频段对增益的提升效果。 本章还将介绍PID控制器的经典设计方法——齐格勒-尼科尔斯（Ziegler-Nichols）整定法，包括开环法和闭环（增量法）法，虽然该方法带有经验性质，但它在工程实践中仍然是快速初始整定的重要手段。 第六章：现代控制理论基础：状态空间法 本章将介绍现代控制理论的核心工具——状态空间法，特别是针对线性定常（LTI）系统的分析。 我们将首先研究系统的可控性（Controllability）和可观测性（Observability）。我们将定义卡尔曼（Kalman）的可控性矩阵和可观测性矩阵，并阐述这两个性质在系统设计中的重要意义：可控性决定了我们是否能通过输入将系统驱动到任意状态，可观测性决定了我们是否能仅通过输出信息来完全确定系统的内部状态。 接着，我们将深入探讨状态反馈设计。利用极点配置（Pole Placement）技术，我们将推导出如何设计状态反馈增益矩阵 $K$，使得闭环系统的特征值（极点）被放置在期望的位置，从而达到理想的暂态性能。这要求系统必须是完全可控的。 最后，我们将引入状态观测器（Observer）的设计。当内部状态变量无法直接测量时，我们需要估计它们。本章将介绍鲁斯（Luenberger）观测器，并阐述如何利用对偶原理（即可观测性对应于可控性）来设计一个能够准确估计状态的观测器，即使在存在测量噪声的情况下也能有效工作。观测器的极点位置的选择原则，即其收敛速度应远快于主控系统的动态性能，也将被详尽阐述。

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我刚开始接触《控制理论基础》的时候，以为会是一本枯燥的技术手册，结果完全出乎我的意料。这本书的写作风格非常严谨，但又充满了人文关怀。作者似乎非常理解读者的困惑，总能在关键的地方给出点拨。我最欣赏的是它对“稳定性”这个概念的深入剖析，从最直观的物理意义，到严格的数学定义，再到各种判断稳定性方法的讲解，每一步都走得扎实而清晰。书中还详细介绍了根轨迹、奈奎斯特图、伯德图等频率域分析方法，并且给出了大量的图示和计算示例，让我能够真正地理解这些工具在分析系统性能和设计控制器时的作用。我个人对自适应控制部分特别感兴趣，虽然书中只是初步介绍，但已经足够让我窥见其强大的潜力。这本书的排版设计也很优秀，公式清晰，图表精美，阅读体验极佳。读完这本书，我感觉自己对工程系统有了全新的认识，也对如何让这些系统按照我们的意愿运行有了更深入的理解。它不仅仅是一本教科书，更像是一位循循善诱的导师。

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《控制理论基础》这本书的深度和广度都让我印象深刻。它不仅仅局限于经典的控制理论，还触及了一些更前沿的概念，比如模型预测控制的初步介绍，让我对未来的发展方向有了初步的了解。作者在讲解一些复杂的数学推导时，总是会给出详细的步骤和清晰的解释，并且会强调这些数学工具背后的物理意义，避免了枯燥的“数学游戏”。我特别欣赏书中关于“最优控制”的讨论，它不仅仅介绍了基本的原理，还展示了如何通过优化目标函数来达到最佳的控制效果，这对于追求极致性能的工程师来说，无疑是一笔宝贵的财富。书中还涉及到一些非线性控制的基本概念，虽然篇幅不多，但足以让我了解到经典线性控制的局限性以及非线性控制的挑战与魅力。总的来说，这本书提供了一个非常全面的控制理论入门框架，既有深度又有广度，能够满足不同读者的需求。

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坦白说，我之前对控制理论的印象就是高高在上，充满着我难以理解的数学符号。《控制理论基础》这本书就像一道光，照亮了我探索这个领域的道路。它以一种非常易于理解的方式，将控制系统的核心思想娓娓道来。我最喜欢的是它对“系统辨识”的介绍，让我明白了如何从实际观测到的数据中构建系统的数学模型，这在很多实际工程问题中都至关重要。书中还详细讲解了各种控制器（如PID、状态反馈等）的设计方法，并且提供了大量的仿真示例，让我能够直观地看到不同控制器对系统响应的影响。而且，这本书的写作风格非常亲切，就像一位经验丰富的老师在手把手地教你一样，总能及时解答你的疑惑。读完这本书，我感觉自己不再害怕那些复杂的公式和图表，而是能够主动地去分析和理解它们。它成功地激发了我对控制理论的兴趣，也让我对未来如何应用这些知识充满了期待。

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哇，这本书简直是为我量身定做的！我一直对控制理论这个领域感到好奇，但又怕它太晦涩难懂。拿到《控制理论基础》这本书，我简直就像发现了宝藏一样。它从最基本的一些概念讲起，比如系统、输入、输出，然后循序渐进地引入了状态空间、传递函数等核心概念。最让我惊喜的是，作者并没有上来就抛出一大堆复杂的公式，而是用了很多生动形象的比喻和实际例子来解释原理，比如用遥控飞机来讲解如何让系统稳定，用恒温器来演示反馈控制。这让我这个初学者能够轻松地理解抽象的理论。而且，书中对数学工具的使用也恰到好处，不会让你觉得被数学淹没，而是引导你如何运用这些工具来分析和设计控制系统。我尤其喜欢它讲解PID控制的部分，图文并茂，让我对比例、积分、微分这三个参数的作用有了非常深刻的理解，甚至跃跃欲试想用在我的小项目中。这本书的逻辑性非常强，章节之间的过渡自然流畅，让人能够一口气读下去，完全停不下来。它成功地打消了我对控制理论的畏惧，让我对未来的学习充满了信心。

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我是一名非理论背景的工程师，一直觉得控制理论是遥不可及的领域，但《控制理论基础》这本书彻底改变了我的看法。它用一种非常务实的方式来介绍控制理论，将抽象的数学概念与实际工程应用紧密结合。我特别喜欢书中关于“鲁棒性”的讨论，理解了如何在存在不确定性和干扰的情况下设计出可靠的控制系统，这对我实际工作中遇到的问题非常有启发。作者在讲解不同类型的控制器时，都给了非常详尽的对比分析，让我清楚地知道在什么情况下选择哪种控制器是最合适的。书中对数字控制部分也有涉及，虽然篇幅不多，但已经为我打开了新的视野，让我了解到在实际工程中，如何将理论模型转化为可实现的数字算法。这本书的案例分析做得非常出色，几乎每一个理论点都配有具体的工程实例，让我能够直接看到理论的价值和应用。读这本书的过程中，我感觉自己不仅仅是在学习知识，更是在培养一种解决问题的思维方式。

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