自动控制原理与系统

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出版者:机械工业出版社
作者:孔凡才
出品人:
页数:286
译者:
出版时间:2004-8
价格:38.00元
装帧:
isbn号码:9787111050803
丛书系列:
图书标签:
  • 自动控制
  • 控制理论
  • 系统工程
  • 控制系统
  • 经典控制
  • 现代控制
  • MATLAB控制
  • 信号与系统
  • 自动化
  • 电气工程
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具体描述

《普通高等教育"十一五"国家级规划教材:自动控制原理与系统(第3版)》分为两篇,第1篇为自动控制原理,它包括系统数学模型的建立,分析系统性能常用的方法,对系统的性能进行分析,探讨改善系统性能的途径,其中包括时域分析法,频率特性法和MATLAB软件的应用。第2篇为自动控制系统,它包括直流调速系统、交流调速系统、位置随动系统和实际系统的分析与调试。其中新增加了BJT-PWM控制系统,IGBT-PWM-VVVF交流变频调速系统,微机控制的、采用专用集成芯片的位置随动系统等。

现代控制理论与应用:从基础到前沿的深度探索 图书简介 本书旨在为读者提供一个全面、深入且现代化的控制系统理论与工程应用的学习路径。它不仅仅是对经典控制理论的回顾,更着重于二十一世纪工程实践对高级控制方法的需求,覆盖了从基础的数学建模到尖端的智能控制技术的广泛领域。全书结构严谨,逻辑清晰,力求在理论深度与工程实用性之间找到完美的平衡点。 第一部分:控制系统的数学基础与时域分析 (Fundamentals and Time-Domain Analysis) 本部分为深入理解现代控制理论奠定坚实的数学基础。我们首先回顾了必要的线性代数、常微分方程和复变函数的基础知识,重点强调其在系统描述中的应用。 1. 系统的状态空间描述: 彻底摒弃传统的传递函数视角,本书从系统的内部动态出发,详细阐述了线性定常(LTI)和线性时变(LTV)系统的状态空间表示法(State-Space Representation)。引入了标准形式(如约当标准型、可控标准型、可观标准型)的推导与意义,并讨论了系统的能控性 (Controllability) 和 能观测性 (Observability) 的充要条件。这些概念是设计现代控制器的核心前提。 2. 时域响应与稳定性分析: 深入分析了系统的零输入响应、零状态响应和全响应。对于高阶系统,我们不仅分析了特征根(极点)对瞬态响应的影响,还详细讲解了李雅普诺夫稳定性判据 (Lyapunov Stability Criterion) 在时域下的应用,特别是针对非线性系统和时间不确定系统的稳定性评估方法。 3. 经典控制方法的现代视角: 虽然本书侧重现代控制,但仍用现代的眼光审视经典方法。例如,将根轨迹分析、频率响应分析(Bode 图、Nyquist 图)与状态空间模型进行映射,展示如何利用这些工具指导现代控制器的参数整定和性能验证。 第二部分:现代控制理论的核心——极点配置与观测器设计 (Pole Placement and Observer Theory) 本部分是本书的理论核心,聚焦于如何利用系统的全部内部信息来设计高性能控制器。 4. 反馈控制与状态反馈极点配置: 详细阐述了如何通过状态反馈 $u = -Kx + r$ 来任意配置系统的闭环极点,以满足特定的性能指标(如快速性、阻尼比)。讨论了在系统不可控情况下的输出反馈极点配置的局限性与设计技巧。 5. 观测器理论: 鉴于实际工程中传感器成本和物理限制,状态变量往往无法全部测量。因此,本章专注于状态估计。我们从最小阶 Luenberger 观测器的构造出发,推导到满阶观测器的设计,并详细分析了观测器增益的选择与极点配置的关系。特别地,引入了分离定理 (Separation Principle),证明了状态反馈增益 $K$ 和观测器增益 $L$ 可以独立设计。 6. 随机系统与最优控制基础: 引入了随机过程(如维纳过程)的概念,为下一部分的最优控制奠定基础。重点讲解了在存在过程噪声和测量噪声的情况下,卡尔曼-布西(Kalman-Bucy)滤波的递归算法及其在状态估计中的优越性。这部分是连接经典控制与现代智能控制的桥梁。 第三部分:最优控制与鲁棒性设计 (Optimal Control and Robustness) 本部分面向更高级的应用需求,目标是设计出在满足性能要求的同时,对不确定性具有抵抗力的控制器。 7. 经典最优控制: 深入探讨了线性二次型调节器 (LQR) 的设计。详细推导了代数黎卡提方程 (ARE) 的求解过程,并讨论了 LQR 权函数矩阵 $Q$ 和 $R$ 对控制性能和能量消耗的权衡影响。此外,还介绍了最优轨迹规划的基础——庞特里亚金最小原理 (Pontryagin's Minimum Principle)。 8. 鲁棒控制基础: 面对模型固有的不确定性(参数微小变化、外部扰动),传统的基于精确模型的控制设计显得脆弱。本章引入了描述函数法和奇异值分解 (SVD) 来分析系统的灵敏度。重点介绍 $mathbf{H}_{infty}$ 控制的基本思想,即通过将系统性能指标转化为一个有界范数问题,从而设计出能够保证闭环系统稳定的最坏情况下的最优控制器。 第四部分:非线性与智能控制进阶 (Nonlinear and Intelligent Control Advancements) 本部分关注超越线性系统限制的前沿技术,是当前工程研究的热点。 9. 非线性系统分析与控制: 针对李雅普诺夫方法难以直接应用的复杂非线性系统,介绍了多种分析工具,如相平面法 (Phase Plane Analysis) 和极限环分析。在控制设计方面,详细讲解了反馈线性化 (Feedback Linearization) 的理论基础和实现步骤,以及滑模控制 (Sliding Mode Control, SMC) 的鲁棒性机理和抖振现象的抑制方法。 10. 智能控制技术综述: 这一章侧重于将人工智能技术融入控制回路。详细剖析了模糊逻辑控制 (Fuzzy Logic Control, FLC) 的知识表示、模糊推理和解模糊化过程,并以自整定 PID (Self-Tuning PID) 为例,展示了如何利用在线学习机制适应系统变化。最后,对神经网络控制 (Neural Network Control) 的结构(如 RBF 网络)及其在复杂系统辨识和控制中的应用进行了深入探讨。 适用读者与特点: 本书适合于自动化、电气工程、机械工程、航空航天工程等专业的高年级本科生、研究生以及从事控制系统设计与开发的工程师阅读。其特点在于: 理论与工程并重: 每个理论章节后均附有详细的工程实例(如机械臂控制、过程控制的实例分析)。 强调数学工具的物理意义: 确保读者不仅知其然,更能知其所以然。 覆盖面广: 兼顾了经典控制的精髓、现代控制的严谨性以及前沿智能控制的灵活性,为读者构建了一个完整的现代控制知识体系。

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读后感

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用户评价

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这本教材在排版和图示质量上达到了一个非常高的水准,这对于理解复杂的系统动态至关重要。很多控制理论的书,图表模糊不清,或者关键的标注缺失,导致读者需要花费大量时间去猜测作者的意图。然而,这本书的图示几乎都是矢量化的,线条清晰,标识明确,特别是那些复杂的反馈结构图和根轨迹图,每一个关键点和渐近线都标注得一丝不苟。这种高质量的视觉辅助,极大地提升了阅读效率。例如,在讲解李雅普诺夫稳定性分析时,作者配的能量函数图示,直观地展示了系统状态是如何收敛到原点的,这比纯文字描述要有效率百倍。可以说,这本书的制作团队在细节上投入了巨大的心力,真正体现了“工欲善其事,必先利其器”的理念,为我们这些学习者提供了一个极佳的认知界面。

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初次接触这套教材时,我的第一反应是它的编排逻辑简直是教科书级别的典范。它没有一上来就抛出复杂的矩阵微分方程,而是从最基本的物理系统的动态特性描述入手,层层递进地构建起整个控制理论的知识体系。这种“搭积木”式的构建方式,极大地降低了学习的认知负荷。对于理工科背景不那么扎实的同学来说,这一点尤为重要。我特别欣赏它在讲解传递函数和状态空间模型之间的桥接部分。很多教材要么重此轻彼,要么只是简单地罗列转换公式,但这本书却花了大量篇幅去阐述两种描述方式背后的物理意义和适用场景,这一点对于后续进行系统辨识和设计是至关重要的。读完前几章,我对“被控对象”这个概念的理解就从一个模糊的物理实体,转变成了一个严谨的数学模型,这无疑为我接下来的学习铺平了道路,不再是那种死记硬背的盲目状态。

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这本书简直是为我这种初学者量身定做的,内容由浅入深,讲解得非常清晰透彻。作者似乎深谙“授人以渔”的道理,不是简单地罗列公式和理论,而是通过大量生动的实例,将抽象的控制概念变得具象化。记得有一次我对系统的稳定性理解得一知半解,翻到书里关于根轨迹的章节后,豁然开朗。那些原本密密麻麻的数学推导,在图表的辅助下,瞬间就有了画面感,仿佛那些复杂的反馈回路就在眼前真实地运转起来。尤其值得称赞的是,它并没有停留在传统的经典控制理论层面,而是很巧妙地引入了现代控制的一些思想,让读者在打好基础的同时,也能窥见更广阔的工程应用前景。书中的习题设计也很有水平,难度循序渐进,能有效检验对知识点的掌握程度,完成一章的学习后,那种成就感是其他很多教材无法比拟的。我感觉自己不仅仅是在“学习”一门技术,更像是在和一位经验丰富的工程师进行面对面的交流指导。

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老实说,我对这种偏理论的教材通常抱持着敬而远之的态度,总觉得晦涩难懂,但《自动控制原理与系统》彻底颠覆了我的看法。这本书的语言风格非常“有温度”。作者似乎时刻提醒着读者,这些公式和算法的最终目的都是为了让机器或过程“听话”。例如,在分析超调和响应速度时,他会用非常生活化的比喻来解释为什么我们不能同时追求最快速度和最小误差。这种“人情味”让学习过程变得不那么枯燥。此外,书中对各个分析工具的适用范围和局限性分析得极其到位。比如,波德图和奈奎斯特图在处理高阶系统时的优势与劣势对比,就讲得清晰明了,不像有些书只是简单介绍如何“画图”,却忽略了背后的工程意义。这本书读下来,感觉收获的不仅是知识点,更是一种严谨而又富有洞察力的工程思维。

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这本书的深度和广度都远超我的预期。我原本以为这只是一本偏向于基础理论的入门书,但随着阅读的深入,我发现它对一些前沿和交叉领域也进行了相当精妙的探讨。比如,关于鲁棒控制和最优控制的简介部分,虽然篇幅不长,但关键概念的提炼非常到位,能让读者迅速抓住核心思想,为日后深入研究打下坚实的基础。更重要的是,作者在讨论控制器的设计方法时,不仅讲解了经典的PID调参,还对比了现代方法,这对于工程实践者来说价值巨大。我们常常需要权衡算法的复杂度和性能,这本书正好提供了这种对比分析的框架。它不搞“唯理论”,而是强调理论服务于实际问题的解决,这一点非常务实和可贵。我甚至在参考书目中发现了一些非常专业的期刊文献推荐,这对于想继续深造的人来说,简直是意外的宝藏。

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