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出版者:

作者:尾形克彦

出品人:

页数:433

译者:

出版时间:2008-7

价格:49.00元

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isbn号码:9787121068881

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《现代控制系统设计与仿真》 内容概要： 本书旨在为读者提供一个全面而深入的现代控制系统设计与仿真实践指南。我们将从基础的控制理论概念出发，逐步引导读者理解并掌握现代控制理论的核心思想，并通过实际的系统建模、分析、控制器设计及仿真验证，提升读者在复杂工程系统中的问题解决能力。本书内容紧密结合工程实际，理论与实践并重，力求使读者能够融汇贯通，独立完成各类控制系统的设计与优化工作。 前言 在飞速发展的工程技术领域，控制系统扮演着至关重要的角色。从航空航天的精密导航，到工业生产的自动化流程，再到新能源领域的效率优化，以及智能家居的便捷体验，无不依赖于先进的控制技术。现代控制理论，作为这门学科的核心，为我们理解和操纵动态系统提供了强大的理论框架和工具。它超越了传统的反馈控制思想，引入了状态空间方法、最优控制、鲁棒控制、自适应控制以及智能控制等多种先进技术，极大地拓展了控制系统的设计边界和性能潜力。 然而，理论知识的学习往往是抽象的，如何将其转化为实际的工程应用，是许多学习者和工程师面临的挑战。理论的深刻理解需要与实际的系统动态行为相结合，而系统的实际行为又常常受到各种不确定性和非线性因素的影响。仿真技术的发展，尤其是强大而易用的数学软件平台的出现，为我们架起了理论与实践之间的桥梁。通过仿真，我们可以高效地建立系统模型，分析系统特性，设计控制器，并在计算机环境中对其进行反复测试和优化，而无需承担高昂的物理实验成本和潜在的风险。 本书正是在这样的背景下应运而生。我们深知，掌握现代控制理论不仅需要理解其数学原理，更需要掌握如何将其应用于实际问题，并通过仿真工具来验证和完善设计。因此，本书的编写力求做到： 理论严谨与工程导向相结合： 在介绍核心理论概念的同时，始终关注其在实际工程问题中的应用价值，通过案例分析和习题设计，强化读者的工程思维。 系统化与循序渐进： 内容编排上，从基础的线性系统理论出发，逐步深入到非线性控制、最优控制、鲁棒控制等前沿领域，确保读者能够逐步建立起完整的知识体系。 仿真实践贯穿始终： 每一章节的理论讲解都将伴随相应的仿真实践环节，引导读者利用强大的数学计算平台，将抽象的公式转化为生动的系统行为可视化，直观感受控制策略的效果。 注重读者能力的培养： 本书不仅传授知识，更注重培养读者独立分析问题、设计解决方案、评估系统性能以及进行二次开发的能力。 我们希望通过本书的学习，读者能够： 1. 深刻理解现代控制理论的核心概念，包括状态空间描述、能控性与可观测性、李雅普诺夫稳定性等。 2. 掌握不同类型控制器的设计方法，如极点配置、线性二次调节器（LQR）、模型预测控制（MPC）以及鲁棒控制器等。 3. 熟练运用仿真工具进行系统建模、分析与控制器设计，能够独立完成从理论到实践的转化。 4. 具备分析和解决复杂工程控制问题的能力，能够根据实际需求，选择并设计最优的控制策略。 5. 了解现代控制理论的前沿发展方向，为进一步深入研究奠定基础。 本书内容涵盖了现代控制理论的多个重要分支，并强调了其在实际工程应用中的可操作性。我们坚信，通过本书的学习，读者将能够装备起强大的现代控制系统设计与仿真能力，在各自的领域中有所建树。 目录 第一部分：现代控制理论基础 第一章：引言与系统建模 1.1 控制系统的发展与重要性 1.2 经典控制理论的局限性与现代控制理论的兴起 1.3 状态空间描述：系统动力学的统一语言 1.3.1 连续时间系统的状态空间方程 1.3.2 离散时间系统的状态空间方程 1.3.3 状态变量的选择与物理意义 1.4 线性时不变（LTI）系统的基本概念 1.4.1 传递函数与状态空间方程的转换 1.4.2 矩阵指数与零输入响应 1.5 物理系统的建模方法 1.5.1 机械系统建模（弹簧-阻尼-质量系统） 1.5.2 电气系统建模（RLC电路） 1.5.3 机电一体化系统建模示例 1.6 仿真实践： 使用数学工具进行系统建模与初步分析 第二章：系统分析与稳定性 2.1 LTI系统的时域响应分析 2.1.1 零状态响应与零输入响应 2.1.2 单位阶跃响应、脉冲响应的分析 2.1.3 系统阶数、稳态误差分析 2.2 LTI系统的频域响应分析 2.2.1 频率响应的定义与计算 2.2.2 伯德图、奈奎斯特图、尼科尔斯图的绘制与解读 2.2.3 系统性能指标（带宽、峰值增益等） 2.3 系统的模态分析与特征值 2.3.1 特征值与特征向量的意义 2.3.2 系统模态与响应特性的关系 2.4 稳定性理论： 李雅普诺夫第一方法 2.4.1 线性系统稳定性判据（特征值法） 2.4.2 非线性系统稳定性（局部渐近稳定、全局渐近稳定） 2.5 仿真实践： 系统时域与频域响应分析，特征值分析 第三章：能控性与可观测性 3.1 能控性的概念与判据 3.1.1 完全能控性的定义 3.1.2 能控性矩阵与能控性判据 3.1.3 能控性与系统极点配置的关系 3.2 可观测性的概念与判据 3.2.1 完全可观测性的定义 3.2.2 可观测性矩阵与可观测性判据 3.2.3 可观测性与状态估计的关系 3.3 对偶性原理 3.4 仿真实践： 检验系统的能控性与可观测性，并分析其影响 第二部分：现代控制器设计 第四章：状态反馈控制 4.1 状态反馈控制的基本原理 4.1.1 输出与状态反馈的区别 4.1.2 状态反馈的数学模型 4.2 极点配置（Pole Placement） 4.2.1 Ackermann公式 4.2.2 期望极点与系统性能的关系 4.2.3 实际应用中的注意事项 4.3 仿真实践： 利用状态反馈实现极点配置，并通过仿真验证系统性能 第五章：状态观测器设计 5.1 状态观测器的必要性 5.1.1 测量受限或状态不可测情况 5.1.2 状态估计的目的 5.2 Luenberger观测器 5.2.1 观测器的数学模型 5.2.2 观测器极点与收敛速度的关系 5.2.3 观测器增益的设计 5.3 仿真实践： 设计Luenberger观测器，并与实际状态进行比较，观察估计效果 第六章：线性二次最优控制（LQR） 6.1 最优控制问题的定义 6.1.1 性能指标函数（二次型） 6.1.2 约束条件 6.2 LQR控制器设计 6.2.1 线性二次最优控制器的推导 6.2.2 Riccati方程的求解 6.2.3 LQR设计参数（Q、R矩阵）的选择与影响 6.3 仿真实践： 设计LQR控制器，并通过改变Q、R矩阵观察其对系统响应的影响 第七章：模型预测控制（MPC） 7.1 MPC的基本思想与原理 7.1.1 模型预测与滚动优化 7.1.2 预测时域与控制时域 7.2 线性MPC的设计 7.2.1 目标函数与约束条件 7.2.2 预测模型与优化问题 7.3 MPC的应用优势与局限性 7.4 仿真实践： 构建一个简单的MPC控制器，并对带有约束的系统进行控制 第八章：鲁棒控制与抗干扰控制 8.1 系统不确定性的来源与影响 8.2 鲁棒控制的基本概念 8.2.1 容忍不确定性的设计 8.2.2 H-无穷（H∞）控制简介 8.3 抗干扰控制器的设计方法 8.4 仿真实践： 设计一个对参数变化具有一定鲁棒性的控制器，并进行仿真验证 第三部分：高级控制与应用 第九章：非线性控制系统分析与设计 9.1 非线性系统的特点与挑战 9.2 非线性系统分析方法 9.2.1 相平面分析法 9.2.2 李雅普诺夫稳定性理论（续） 9.2.3 线性化方法 9.3 非线性控制器设计方法简介（如反馈线性化、滑模控制等） 9.4 仿真实践： 对一个简单的非线性系统进行分析，并尝试使用线性化方法或基本非线性控制策略进行仿真 第十章：现代控制理论的应用实例 10.1 机器人控制系统 10.1.1 机器人运动学与动力学建模 10.1.2 轨迹跟踪与力控制 10.2 航空航天控制系统 10.2.1 飞行器姿态控制 10.2.2 轨道控制 10.3 过程控制系统 10.3.1 温度、压力、流量控制 10.3.2 MPC在过程控制中的应用 10.4 仿真实践： 选择一个具体的应用场景，应用前面章节学到的知识进行系统建模和控制器设计，并进行仿真 第十一章：智能控制简介 11.1 模糊控制 11.2 神经网络控制 11.3 遗传算法与优化控制 11.4 仿真实践： 尝试使用一种智能控制方法（如简单的模糊控制器）来解决一个控制问题 第十二章：总结与未来展望 12.1 现代控制理论的核心思想回顾 12.2 工程实践中的注意事项 12.3 现代控制理论的前沿研究方向（如自适应控制、分布式控制、模型无关控制等） 12.4 学习与进一步提升的建议 附录 矩阵运算基础 数值方法简介 相关数学工具的使用技巧 本书特色 案例驱动： 每个理论概念的引入都力求与实际的工程案例紧密结合，使读者能够理解理论的实用价值。 仿真先行： 丰富的仿真实践环节，指导读者如何将理论知识转化为可操作的仿真模型，通过直观的图表和数据理解系统行为。 循序渐进： 内容结构清晰，从基础到高级，层层递进，适合具备一定数学基础的工程技术人员、研究生及高年级本科生。 全面性： 涵盖了现代控制理论的核心内容，并触及了部分前沿领域，为读者构建一个完整的知识框架。 实用性： 强调理论在工程实际问题中的应用，帮助读者提升解决实际工程问题的能力。 目标读者 自动化、电子信息、机械工程、航空航天等相关专业的本科高年级学生及研究生。 从事控制系统设计、开发、调试与优化的工程师。 对现代控制理论及其工程应用感兴趣的科研人员。 需要提升控制系统设计与仿真能力的任何工程技术人员。 学习要求 具备高等数学（微积分、线性代数）的基础知识。 了解基本的电路、力学、信号系统等工程背景知识将有助于理解建模过程。 对计算机编程和数学计算软件有基本的操作能力。 结语 在数字时代，控制工程正以前所未有的速度向前发展。掌握现代控制理论及其仿真技术，是应对未来工程挑战的关键。本书希望成为您探索现代控制理论奥秘、提升工程实践能力的一位得力助手。我们期待您通过本书的学习，能够真正驾驭复杂的动态系统，创造出更智能、更高效、更可靠的工程解决方案。

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坦白说，这本书的排版和用户体验有待商榷。作为一本技术教程，清晰的逻辑流是至关重要的，但在这本书中，章节之间的衔接显得非常突兀。仿佛是把不同年份、不同作者编写的几份讲义强行拼凑在一起。例如，前一章还在使用旧版的控制系统工具箱界面进行讲解，紧接着下一章就完全切换到了新型的App Designer界面，却没有给出任何过渡说明。这让习惯了线性学习路径的我感到非常困惑，每次尝试跟上作者的思路时，总会被突如其来的界面或术语变化打断。此外，书本的索引做得非常不友好，查找特定的函数或概念需要花费比预期多得多的时间，这极大地影响了学习效率，尤其是在需要快速查阅某个细节的时候。

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这本书给我的感觉是，它更像是一本为“做题”而非“理解”而设计的工具书。书中大量的章节都是围绕着“如何用MATLAB代码实现XX控制算法”展开，每一个操作步骤都被细致地列出，简直是一份详尽的“菜谱”。然而，对于这些算法背后的数学原理，特别是它们在实际工程应用中可能遇到的局限性，介绍得相当简略。比如，在讨论状态空间模型建立时，书中几乎没有提及如何处理不确定性或非线性问题，直接跳跃到了求解LQR控制器的步骤。这使得读者在学完之后，虽然掌握了敲代码的技巧，但一旦面对真实的、充满“噪声”和“误差”的工程问题时，就会感到力不从心，因为缺乏那种深层次的、批判性的思考能力。我希望教程能花更多篇幅来探讨理论与实际工程需求之间的“鸿沟”是如何填补的。

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我对这本书的整体印象是——信息量爆炸，但结构略显松散。它似乎试图涵盖控制理论的方方面面，从经典控制到现代控制，MATLAB工具箱的调用技巧也穿插其中。然而，这种大而全的策略反而导致了核心知识点的讲解不够深入和连贯。例如，在讲解PID控制器设计部分时，理论推导和仿真实例之间的跳跃性很大，我常常需要来回翻阅前面的章节来弄清某个参数的物理意义。书中的图表质量参差不齐，有些示波器的截图模糊不清，使得分析波形变得困难。更让我困扰的是，书中的示例代码似乎没有经过充分的优化和注释，很多时候，我需要花费大量时间去调试那些原本应该清晰明了的脚本，才能让它们跑起来并得到预期的结果。总体而言，这本书更像是一个庞大的知识点集合，缺乏一个强有力的、贯穿始终的教学主线来串联这些知识点。

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这本关于MATLAB在控制理论中应用的教程，着实让我这个初学者感到有些手足无措。从打开书本的那一刻起，我就被那些密密麻麻的公式和代码块淹没了。说实话，我对MATLAB本身并不陌生，但将其与深奥的控制理论知识结合起来，对我来说简直是一场灾难。书中似乎默认读者已经对根轨迹分析、频域响应等概念了如指掌，对于那些像我一样需要从零开始搭建知识体系的人来说，阅读过程就像是在攀登一座陡峭的山峰，每一步都充满了挑战和不确定性。我期待的更多是那种循序渐进的引导，能够清晰地解释“为什么”要使用某种方法，而不仅仅是“如何”输入命令。也许对于有一定基础的工程师来说，这本书是本不错的参考手册，但对于我这样的门外汉，它更像是一本高阶的学术论文集，让人望而生畏，难以深入。我希望能找到一本更侧重于直观理解和应用案例的书籍。

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对于那些已经精通控制理论，只是想快速熟悉MATLAB仿真环境的专业人士来说，这本书或许能起到一定的“唤醒记忆”的作用。书中对于一些高级控制策略，比如模型预测控制（MPC）的基本框架搭建，确实给出了较为直接的MATLAB实现路径。然而，这种效率是以牺牲新手友好性为代价的。它所使用的术语过于专业化，很多缩写（如系统矩阵的某些特定表示法）没有在首次出现时进行充分的解释。此外，书中提供的案例大多是教科书式的理想系统，缺乏对真实世界中传感器延迟、执行器饱和等常见约束条件的讨论。因此，如果你期望这本书能带你从理论的云端顺利降落到实际的工厂车间，恐怕你会失望。它更像是停留在对理想化模型进行数学操作的层面，对于复杂的工程落地环节，似乎有所保留或避而不谈。

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