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出版者:Wiley

作者:William J. Palm III

出品人:

页数:720

译者:

出版时间:1986-3-28

价格:0

装帧:Paperback

isbn号码:9780471810865

丛书系列:

图书标签:

• 控制系统工程
• 控制理论
• 自动控制
• 系统工程
• 反馈控制
• 建模与分析
• 控制器设计
• MATLAB控制工具箱
• 现代控制理论
• 线性系统

《动态系统分析与控制》 本书旨在为读者提供一个关于动态系统分析与现代控制工程的全面而深入的理解。我们从系统建模的基础出发，详细阐述了如何将现实世界中的各种物理、工程和社会系统转化为数学语言，为后续的分析和设计奠定坚实的基础。 第一部分：系统建模与时域分析 本部分首先聚焦于系统建模，我们将探讨如何使用差分方程、微分方程以及传递函数等工具来准确地描述动态系统的行为。您将学习到如何根据系统的物理结构和基本原理（如牛顿第二定律、基尔霍夫定律等）推导出数学模型。我们将涵盖不同类型的系统，包括机械系统（如弹簧-质量-阻尼系统）、电气系统（如RLC电路）、热系统以及流体系统。 接着，我们将深入时域分析。这包括分析系统的瞬态响应和稳态响应。对于给定的输入信号（如单位阶跃、单位斜坡、指数函数等），读者将学会如何预测和描述系统输出随时间的变化。我们将详细讲解暂态响应的几个关键性能指标，如上升时间、过冲、沉降时间和稳态误差，并探讨这些指标如何反映系统的动态特性。此外，本部分还会介绍卷积积分在时域分析中的应用，以及如何通过它来计算系统对任意输入信号的响应。 第二部分：系统频率响应与稳定性分析 在第二部分，我们将转向频率响应分析。这一方法侧重于系统在不同频率输入下的稳态行为。我们将引入劳斯-赫尔维茨稳定性判据，这是一种在不求解特征方程的情况下判断线性时不变系统稳定性的代数方法。随后，我们将详细介绍奈奎斯特判据，它是一种基于开环传递函数复平面轨迹的图形化方法，用于分析闭环系统的稳定性，并能直观地评估系统的稳定裕度。 此外，本部分还将深入探讨博德图，这是一种强大的图形工具，用于展示系统在不同频率下的幅值和相位响应。我们将详细讲解如何绘制和解释博德图，以及如何利用它来预测系统的稳定性、评估系统的频率特性，并进行控制器设计。读者将学习如何通过幅值和相位裕度来量化系统的稳定性。 第三部分：现代控制理论与状态空间方法 本部分将带领读者进入现代控制理论的领域，并重点介绍状态空间方法。与传统的传递函数方法不同，状态空间方法提供了一个更全面、更强大的描述动态系统的方式，尤其适用于多输入多输出（MIMO）系统。我们将介绍状态向量、状态方程和输出方程的概念，并展示如何将传递函数模型转换为状态空间模型，反之亦然。 我们将详细讲解可控性和可观测性的概念，它们是现代控制理论中的两个核心属性。可控性决定了是否能够通过外部输入将系统从任意初始状态转移到目标状态；可观测性则关系到是否能够通过测量系统的输出信息来推断系统的内部状态。我们将学习如何通过判据来判断一个系统的可控性和可观测性。 基于状态空间方法，我们将介绍状态反馈控制的设计。读者将学习如何通过设计状态反馈增益矩阵来改变闭环系统的极点位置，从而达到期望的系统性能，例如改善瞬态响应、提高稳定性等。本部分还将简要介绍状态观测器的设计，当系统的所有状态都无法直接测量时，观测器可以利用系统的输出和输入来估计系统的内部状态。 第四部分：控制器设计与先进主题 在最后一部分，我们将探讨控制器设计的实用方法，并介绍一些先进主题。我们将回顾如何利用频率域的方法（如超前/滞后校正）和时域的状态反馈控制来设计控制器，以满足特定的系统性能要求。 本书还将简要介绍PID（比例-积分-微分）控制器的设计与整定，作为一种广泛应用且易于实现的控制策略。读者将了解PID控制器的基本原理以及如何调整比例、积分和微分参数以优化系统性能。 此外，我们还会触及一些更广泛的控制工程主题，例如根轨迹法，它展示了闭环系统极点如何随着控制器增益的变化而移动，是进行控制器设计和系统分析的有力工具。读者将学习如何绘制和解释根轨迹图，并利用其来选择合适的控制器参数。 通过学习本书，读者将能够掌握动态系统的建模、分析和控制设计的基本原理和常用方法，为理解和解决复杂的工程问题打下坚实的基础。本书适合于自动化、电气工程、机械工程、航空航天工程以及其他相关领域的本科生和研究生，以及对动态系统控制感兴趣的工程师和研究人员。

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**评价五：** 要说这本书的实用性，那真是体现在每一个章节的末尾。它没有简单地以“习题”收场，而是精心设计了一系列“设计与仿真挑战”。这些挑战往往不再是孤立的数学题，而是要求读者综合运用前几章所学的知识，选择合适的控制策略，并利用仿真软件（虽然书中没有强制指定软件，但其设计思路完美适配主流工具）来验证和优化设计。例如，有一个挑战要求设计一个能抵抗外部干扰的、具有特定阻尼比和超调量的二阶系统控制器，这迫使我必须反复在时间域和频率域之间切换视角来调整参数，真正体验了控制工程的“迭代优化”过程。这种以项目为导向的学习方式，极大地提升了我将理论知识转化为工程实践的能力。读完这本书，我感觉自己不仅仅是“学会了”控制理论，更是“学会了如何进行控制系统工程设计”。

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**评价二：** 坦率地说，这本书的深度足以让初学者感到有些挑战，但对于有一定基础的工程师来说，它无疑是一部可以反复咀嚼的宝典。我印象最深的是它在“状态空间法”部分的讲解，这是许多教材中往往一带而过的章节。本书不仅详尽地介绍了可控性和可观测性的矩阵判据，还非常细致地探讨了如何利用这些工具来设计更高级的观测器，比如卡尔曼滤波器的基础原理。书中对现代控制理论的引入衔接得非常自然，没有生硬地将经典控制和现代控制割裂开来。它的图论和矩阵运算的讲解部分，虽然篇幅不长，但却非常精准有力，为后续复杂的系统建模打下了坚实的数学基础。我曾尝试用这本书中学到的方法去分析一个老旧的伺服系统，结果发现，通过这本书提供的框架，我可以系统性地诊断出原设计中性能瓶颈的根源，而不是凭感觉去调整参数。这本书要求读者投入时间去消化，但它给予的回报是扎实的理论深度和强大的问题解决能力。

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**评价三：** 这本教材的排版和图示设计堪称一绝。在如此技术性的学科中，清晰的视觉辅助至关重要，而这本书在这方面做得非常出色。每次引入一个新的控制构型或系统拓扑时，插图总是简洁明了，关键的信号流向和反馈路径都标注得清清楚楚，这极大地减少了理解上的歧义。我尤其喜欢它在引入频率响应分析（伯德图、奈奎斯特图）时所采用的渐进式讲解方法。作者似乎深知读者在初次接触这些图形时可能产生的困惑，因此它会先从简单的一阶系统开始构建图形，然后逐步过渡到高阶系统的绘制技巧，甚至还附带了如何快速估算裕度的实用小窍门。对于那些习惯于“看图说话”的学习者来说，这本书的图示价值远超其文字本身。它提供了一种视觉化的语言来描述系统的动态行为，这比纯粹的数学符号更具直观的说服力。

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**评价四：** 我发现这本书在处理非线性控制系统的引入时，采取了一种非常审慎和实用的态度。很多教材要么完全避开非线性，要么直接跳到复杂的李雅普诺夫稳定性理论，让人望而生畏。然而，这本书采取了“线性化先行，局部分析为辅”的策略。它首先用泰勒展开的方式解释了局部线性化的合理性，并清楚地指出了这种方法的局限性——即它只在平衡点附近有效。接着，它引入了相平面分析法和描述函数法，这些都是帮助我们理解系统在全状态空间内行为的有力工具。这种分层级的讲解方式，让读者在掌握了线性控制的坚实基础后，能够有信心去探索更复杂的实际问题，比如迟滞现象或饱和效应。对于希望从基础控制转向机器人或航空航天控制领域的读者而言，这本书提供的“桥梁”设计得非常坚固可靠。

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**评价一：** 这本书简直是打开了我对自动控制世界认知的一扇全新的窗户。一开始我对“系统工程”这个概念还挺模糊的，总觉得它离实际应用太远，直到我翻开这本书，才发现那些复杂的数学模型是如何被巧妙地转化为解决实际问题的工具。作者的叙述方式非常注重直觉的培养，而不是一味地堆砌公式。比如，在讲解PID控制器的时候，他没有直接扔出一个复杂的传递函数，而是先用一个生活中常见的例子——比如恒温器——来类比，让你先建立起“误差、积分、微分”这些概念的物理意义。等到真正进入数学推导时，你会发现每一步的逻辑都是水到渠成的。我特别欣赏它对系统稳定性和瞬态响应之间权衡的深入剖析，这才是工程师真正需要掌握的核心技能。读完前三章，我仿佛拥有了一双“系统之眼”，看任何自动化的设备，都能迅速在脑海中构建出其控制回路的草图。这本书的案例选择也非常贴近工业实际，从机械臂的精确控制到电力系统的频率稳定，都能找到对应的详尽分析，这极大地增强了学习的兴趣和动力。

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