自动控制原理的MATLAB实现

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出版者:国防工业
作者:黄忠霖
出品人:
页数:503
译者:
出版时间:2007-2
价格:48.00元
装帧:
isbn号码:9787118049176
丛书系列:
图书标签:
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具体描述

在高等学校中,“自动控制原理”是自动控制类、电子信息工程类及机械与控制工程类各专业学生必修的课程,在其教学计划里各高校可能有各种不同叫法,或自动控制或控制理论和自动控制理论或机械工程控制基础或自动控制工程基础或过程控制原理等。针对这些专业学生学习“自动控制原理”课程的需要,作者本着把最优秀的计算仿真软件MATLAB与“自动控制原理”两者结合起来的宗旨专门撰写了本书。

  本书有两大部分内容。除自动控制原理MATLAB实现概述外,本书上篇为MATLAB计算及仿真基础部分,内容包括MATLAB7.1系统概述;MATLAB数值运算;MATLAB符号运算基础;MATLAB程序设计;MATLAB7.1常用图形命令与符号函数图形命令等。

  本书下篇自动控制原理的MATLAB实现部分,内容包括:MATLAB7.1的仿真集成环境Simulink6.3;控制系统数学模型的MATLAB实现;连续系统时域分析的MATLAB实现;连续系统稳态误差计算的MATLAB实现;连续系统根轨迹分析的MATLAB实现;连续系统频域分析的MATLAB实现;连续性控制系统校正的MATLAB实现;描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现;离散系统分析的MATLAB实现;线性系统状态空间分析的MATLAB实现;线性二次型最优控制的MATLAB实现等。

  书后给出了2个附录:附录A为作者编写的MATLAB函数,附录B为常见无源校正网络与有源校正网络,以供读查查阅。

  本书既可作为电子信息工程、电子信息科学与技术、测控技术与仪器、光电信息工程、机械工程及自动化、过程装备与控制工程、教材成型及控制工程等专业学生学习自动控制技术的仿真教材(当然首先适合自动控制类各专业(工业自动化、电气自动化、机电一体化、过程控制、化工自动化、电站自动化、纺织自动化、高层建筑自动化、印刷造纸自动化)师生),同时也可作为自动控制领域工程技术人员学习MATLAB的参考用书。

《现代控制理论与MATLAB仿真》 一、 内容概述 本书是一本深入探讨现代控制理论基础及其在工程实践中应用的书籍。它将理论分析与实际操作相结合,旨在为读者提供一个全面、系统且富有启发性的学习体验。全书共分为十八章,涵盖了从经典控制理论的延伸到现代控制理论的核心概念,并重点强调了如何利用强大的MATLAB软件对这些理论进行建模、分析和仿真。 本书不涉及具体某一学科的自动化过程,而是着眼于通用性的控制原理,让读者能够理解和掌握不同领域的控制系统设计和优化方法。我们关注的重点在于控制系统的“魂”——即如何通过数学模型来描述系统行为,如何设计控制器来达到预期目标,以及如何通过仿真来验证和优化设计。 二、 理论深度与广度 本书的理论部分力求严谨而不失清晰。我们将从以下几个关键方向展开: 1. 状态空间方法: 这是现代控制理论的基石。我们将详细介绍状态空间方程的建立、时域和频域的分析方法,以及其在处理多输入多输出(MIMO)系统中的强大优势。读者将学习到如何从系统的物理结构出发,抽象出系统的状态变量,并以此建立完整的系统模型。 2. 稳定性分析: 稳定是控制系统最基本的要求。本书将深入剖析李雅普诺夫稳定性理论,包括直接法和间接法,以及其在连续时间和离散时间系统中的应用。我们将通过大量的实例,演示如何判定系统的稳定性,以及如何通过参数调整来改善系统的稳定性裕度。 3. 能控性和能观测性: 这两个概念是状态反馈控制和状态观测器设计的前提。我们将清晰地阐述能控性和能观测性的数学判据,并分析其对系统设计的影响。理解这两个概念,将有助于读者构建更加鲁棒和灵活的控制系统。 4. 最优控制: 在许多应用中,我们不仅要求系统稳定,还希望其性能达到最优。本书将介绍线性二次型调节器(LQR)等经典的最优控制方法,并通过推导,使读者理解其背后的数学原理。我们将探讨如何根据不同的性能指标来设计最优控制器,以最小化代价函数。 5. 状态观测器设计: 在实际系统中,并非所有状态变量都能够直接测量。状态观测器技术允许我们通过可测量的输出来估计不可测量的状态。本书将详细讲解刘昂-克拉默(Luenberger)观测器及其改进方法,并分析观测器增益的选择对估计精度的影响。 6. PID 控制的深入理解: 虽然PID控制属于经典控制范畴,但本书将从现代控制的视角对其进行更深入的剖析,包括其稳定性边界、抗扰性能以及在高阶系统中的局限性。我们将介绍如何结合现代控制理论的思想来优化PID参数整定,使其在更广泛的场景下发挥作用。 7. 数字控制系统: 随着计算机技术的发展,数字控制系统已成为主流。本书将重点讲解连续时间系统到离散时间系统的采样变换,离散时间系统的时域和频域分析,以及基于离散时间状态空间模型的控制器设计。 8. 非线性控制初步: 鉴于实际系统中普遍存在的非线性因素,本书将引入一些基础的非线性控制概念,如巴里辛(Backstepping)和滑模控制(Sliding Mode Control)等,为读者提供初步的认识和理解,为后续更深入的学习打下基础。 9. 鲁棒控制与自适应控制概念: 针对系统模型不确定性或时变性带来的挑战,本书将简要介绍鲁棒控制和自适应控制的基本思想,使读者对这些高级控制理论有一个初步的了解,认识到其在应对复杂工程问题时的重要性。 三、 MATLAB 仿真实战 理论的价值在于实践。本书最大的特色在于,我们将每一种理论概念的讲解都紧密地与MATLAB仿真相结合。我们相信,通过亲手实践,读者能够更深刻地理解抽象的数学公式,并掌握将理论转化为可执行代码的能力。 1. MATLAB 基础与工具箱介绍: 在本书的早期章节,我们将为读者提供必要的MATLAB基础知识,包括基本语法、矩阵运算、绘图功能以及一些核心的控制系统设计与分析工具箱(如Control System Toolbox, Robust Control Toolbox等)的介绍。 2. 模型建立与离散化: 读者将学习如何利用MATLAB将连续时间系统的数学模型(如微分方程、传递函数)转换为状态空间表示,以及如何进行采样,得到离散时间系统模型。 3. 稳定性分析仿真: 我们将演示如何利用MATLAB的命令(如`pole`,`rlocus`,`nyquist`,`margin`等)来分析系统的极点、根轨迹、奈奎斯特图、伯德图,并定量评估系统的稳定性裕度。 4. 状态反馈与观测器仿真: 读者将学习如何利用MATLAB编写代码,实现状态反馈增益矩阵的计算(如LQR设计),并设计和仿真状态观测器,观察其对系统状态估计的效果。 5. 系统仿真与性能评估: 本书将指导读者如何利用MATLAB的仿真工具(如Simulink)构建系统的仿真模型,输入不同的激励信号,观察系统的瞬态响应和稳态响应,并利用各种性能指标(如超调量、调节时间、峰值时间等)对系统性能进行量化评估。 6. 控制器设计与优化: 读者将学会如何根据仿真结果,迭代地调整控制器参数,以达到最优的控制性能。我们将演示一些常用的参数整定策略,并展示如何利用MATLAB的优化工具箱来辅助控制器优化。 7. 模型不确定性下的仿真: 对于一些模型参数不确定或存在扰动的系统,我们将演示如何利用MATLAB进行蒙特卡洛仿真或灵敏度分析,以评估控制系统的鲁棒性。 四、 目标读者与适用性 本书的目标读者广泛,包括但不限于: 高等院校工科专业学生: 尤其是在电气工程、自动化、机械工程、航空航天、计算机科学等领域,学习自动控制原理、现代控制理论等课程的学生。 控制系统工程师: 希望系统地回顾和深化控制理论知识,并掌握利用MATLAB进行实际系统设计和仿真的工程师。 科研人员: 从事控制理论研究或将控制理论应用于具体研究领域的科研工作者。 工程技术人员: 需要处理和优化各类工程系统中控制问题的技术人员,即使其专业背景并非严格的自动化。 本书的先进性和实用性使其能够满足不同层次读者的需求,无论是作为教材、参考书,还是自学指南,都能提供极大的价值。 五、 学习方法建议 为了最大化本书的学习效果,我们建议读者: 紧跟理论步伐: 务必在理解每一个理论概念后,再进行相应的MATLAB仿真练习。 勤于动手实践: 亲自输入代码,运行仿真,修改参数,观察结果。这是掌握控制理论和MATLAB技能的关键。 深入思考问题: 不仅仅满足于运行出结果,要尝试理解结果背后的原因,思考不同参数或模型变化对系统行为的影响。 积极查阅资料: 当遇到不理解的MATLAB函数或概念时,及时查阅MATLAB的官方文档或相关书籍。 尝试拓展应用: 在掌握了基础内容后,可以尝试将所学知识应用于自己感兴趣的、更复杂的工程问题。 六、 结语 《现代控制理论与MATLAB仿真》旨在架起理论与实践的桥梁,让读者不仅能够理解抽象的控制原理,更能熟练地运用强大的MATLAB工具解决实际工程问题。通过系统性的学习和大量的实践,我们相信读者将能够掌握现代控制工程的核心技能,为未来的学习和工作打下坚实的基础。

作者简介

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读后感

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用户评价

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读完这本书,我最大的感受是作者在选择案例的广度上做了很多努力,但深度上略显保守。书中覆盖了从经典的PID控制到一些现代控制的基础概念,包括LQR/LQG的入门介绍,这无疑能让初学者对控制系统的应用领域有一个初步的认识。然而,这些案例往往是教科书式的标准模型,比如经典的惯性环节、弹簧阻尼系统,它们都有非常理想化的参数和明确的性能指标。我尝试着将书中介绍的方法应用到我工作中遇到的非线性、强耦合的实际系统中时,立刻发现效果大打折扣。例如,书中对鲁棒控制的提及非常简略,仅止于介绍H无穷范数的重要性,但对于如何处理实际传感器噪声的频谱特性,如何通过加权函数来平衡跟踪误差和控制输入的平滑性,这些工程上至关重要的问题几乎没有涉及。这种案例选择的“安全区”让这本书的适用范围被限制在了对初学者进行基础概念普及的层面。如果读者期望能通过这本书解决更具挑战性的工业自动化难题,比如针对电机驱动系统的电流环、速度环的精确解耦控制,或者自适应控制策略的应用,这本书提供的帮助就显得杯水车薪了。

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这本书的排版和插图设计给我留下了非常深刻的“工业感”,但这种工业感也带来了一种略显粗粝的阅读体验。我特别留意了那些用来展示仿真结果的图表,坦白说,很多图的清晰度和标注的专业性都有待提高。比如,在展示一个二阶系统的阶跃响应时,坐标轴的刻度往往不够精细,颜色对比度也偏低,使得区分不同工况下的曲线变得有些吃力。更让我感到困惑的是,书中似乎过度依赖于截图而非代码块的展示。当讲解一个复杂的控制器设计流程时,我更希望看到的是清晰、可复制的M文件代码,而不是一张模糊的MATLAB命令窗口截图,这极大地增加了读者手动复现案例的难度和出错率。在涉及数字信号处理和离散化时,一些关键的数学推导过程被草草带过,直接跳到了`c2d`函数的使用上。这种处理方式的后果是,当我在实际项目中遇到一个非标的采样周期或者需要定制化滤波器的设计时,由于书中缺乏从连续时间模型到离散时间模型转换的深入解析,我只能束手无策地去查阅官方文档,这显然违背了购买一本专门教材的初衷。总而言之,它更像是一本“操作指南”而非“理论精讲”,注重“做什么”而非“怎么做对”。

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从知识体系的构建角度来看,这本书的结构略显松散,更像是一个工具箱的使用说明书集合,而不是一个逻辑严密的学科导论。它似乎在努力将控制理论中的各个模块——从时域分析到频域分析,再到现代控制——强行塞进有限的篇幅里,结果就是每个模块都只触及了皮毛。我尤其对它处理频率响应分析的方式感到不满。波特图、奈奎斯特图的绘制方法被清晰地展示了,但关于频率响应在系统稳定裕度(如相位裕度和增益裕度)中所扮演的核心角色,以及如何通过修改补偿器(如超前/滞后补偿器)的极点和零点来精细调整这些裕度,书中的论述显得过于简略。很多关键的工程经验法则,比如“将系统带宽限制在某个范围内可以有效抑制高频噪声”,仅是一笔带过。我购买这本书是希望能系统性地掌握如何设计高性能的反馈控制器,而不是仅仅学会如何运行`margin`命令去看一眼那些指标。整体上,它更适合作为大学课程中某一门快速上机实验课的参考资料,而非一本可以独立支撑起一个工程师知识体系的权威著作。它能让你“上手快”,但想让你“精通难”。

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这本书的标题乍一看还挺唬人的,以为能啃下点硬骨头,结果翻开目录才发现,重点似乎跑偏了。我原本期待的是那种深入底层,对经典控制理论的数学原理进行庖丁解牛式剖析的书籍,能看到如何将那些复杂的微分方程、传递函数和状态空间表示,一步步地转化为严谨的算法推导。然而,这本书更像是为工程实践者准备的“速成手册”。它花了大量的篇幅介绍如何调用MATLAB的Toolbox,比如`控制系统工具箱`里那些现成的函数,如何快速地进行系统建模和仿真。诚然,在项目紧迫的时候,这种效率是值得称赞的,但对于想真正理解“为什么”的读者来说,深度是远远不够的。比如,讲到根轨迹分析时,书中只是展示了`rlocus`命令的结果,却鲜有提及洛斯判据背后的代数几何意义,或者如何通过改变系统参数来精确控制极点的位置,从而达到预期的性能指标。这种“知其然不知其所以然”的讲解方式,让我在合上书本后,除了会敲几行代码之外,对控制系统本身的内在逻辑依然感到模糊。对于那些想扎根理论、未来从事算法研究的工程师或学生而言,这本书的理论深度可能需要配合其他更偏向数学和分析的教材来补充,否则,总感觉像是在使用一个强大的黑箱,而不是真正掌握了它。

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这本书的语言风格非常直接,甚至可以说带着一种略微傲慢的“效率至上”的论调,这让习惯了学术探讨氛围的读者可能会感到不太舒服。作者似乎默认读者已经具备了扎实的线性代数和微积分基础,对复杂的数学符号不作过多解释,直接将其视为理所当然的工具。比如,在讨论可控性和可观测性时,书中只是简单地展示了行列式不为零的条件,但没有花时间去解释为什么Gram矩阵的满秩性与能将系统状态完全转移到原点或观测到系统状态的潜力之间存在必然联系。这种行文习惯导致阅读过程时常需要频繁地停下来,回顾自己已有的知识储备来“填补”作者跳过的逻辑环节。对于那些自学控制理论的读者来说,这种缺乏耐心和引导的讲解方式是相当不友好的。它更像是经验丰富的老工程师对新手的快速指导,而不是一本系统性的教材。此外,书中对MATLAB环境的依赖性过强,对于那些可能需要使用Python (如Control库) 或其他仿真环境的读者而言,这本书中的许多特定命令和窗口操作是无法直接迁移的,这在一定程度上限制了其跨平台学习的价值。

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